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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und einer Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, um die Dichte, oder um die Viskosität des Mediums. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, beispielsweise einem Behälter oder einer Rohrleitung, an welches Behältnis die Vorrichtung, insbesondere lösbar, angebracht werden kann, derart, dass die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise und/oder teilweise mit dem Medium in Kontakt kommt.
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Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten liegt die mechanisch schwingfähige Einheit häufig in Form einer Schwinggabel, eines Einstabs oder einer Membran vor. 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. Im fortlaufenden Betrieb wird die mechanisch schwingfähige Einheit mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche im Fall der vorliegenden Anmeldung zumindest ein piezoelektrisches Element umfasst.
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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. 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 die Summe aller Verstärkungen im Schwingkreis, bzw. der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein.
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Zur Anregung des vibronischen Sensors und damit einhergehend zur Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb 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, mit sowohl analogen als auch digitalen Verfahren, bekannt geworden. Beispielsweise wird häufig eine vorgebbare Phasenverschiebung unter Verwendung eines geeigneten Filters eingestellt, oder die jeweils vorliegende Phasenverschiebung mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt. Aus der
DE102006034105A1 ist in dieser Hinsicht bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der
DE102007013557A1 beschrieben. Gemäß der
DE102005015547A1 wird wiederum ein Allpass-Filters eingesetzt. Das Einstellen einer Phasenverschiebung zwischen Anrege- und Empfangssignal anhand der jeweils vorliegenden Frequenz des Empfangssignals ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs, wie beispielsweise in der der
DE102009026685A1 ,
DE102009028022A1 , und
DE102010030982A1 offenbart, oder mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase-Locked-Loop, PLL), wie in der
DE102010030982A1 beschrieben, möglich.
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Grundsätzlich sind bei einem vibronischen Sensor sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal charakterisiert durch ihre Frequenz f, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße, wie einem vorgegebenen Füllstand, eines Durchflusses, der Dichte und/oder der Viskosität, herangezogen. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, 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, bei Vorliegen einer vorgebbaren Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal, unterschieden. Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Für die Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität geeignete vibronische Sensoren und entsprechende Messprinzipien sind beispielsweise aus den Dokumenten
DE10057974A1 ,
DE102006033819A1 ,
DE10050299A1 , oder auch
DE102007043811A1 bekannt geworden.
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Um das zuverlässige Arbeiten eines vibronischen Sensor gewährleisten zu können, sind aus dem Stand der Technik ferner verschiedene Verfahren bekannt geworden, mittels welcher Aussagen über den Zustand eines vibronischen Sensors getroffen werden können. Aus der
DE102005036409A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit zur Überwachung der Qualität eines vibronischen Sensors bekannt geworden. Eine Messvorrichtung umfasst mindestens eine Leistungsmesseinheit, welche den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit zumindest für den Fall von Resonanzschwingungen überwacht. Hierdurch lässt sich eine Aussage über die Güte des vibronischen Sensors machen. Je höher die Güte, desto weniger Energie wird zur Anregung von Resonanzschwingungen benötigt. Steigt also der Energiebedarf zur Anregung von Resonanzschwingungen während eines vorgebbaren Zeitraums an, oder übersteigt die während der Fertigung des Sensors ermittelte Güte einen vorgebbaren Grenzwert, so kann auf einen Defekt, das Vorliegen von Ansatz im Bereich der schwingfähigen Einheit oder ähnliches geschlossen werden.
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Aus der
DE102007008669A1 ist wiederum ein vibronischer Sensor mit einer Elektronikeinheit bekannt geworden, der eine Phasenmesseinheit, einen einstellbaren Phasenschieber und eine Phaseneinstelleinheit, welche die Einstellung der Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal regelt, umfasst. Steuerparameter können über die Betriebsdauer des Sensors in vorgebbaren Zeitabständen aktualisiert und hinterlegt werden. Ferner kann anhand eines Vergleichs zwischen hinterlegten Steuerparametern und aktuellen Steuerdaten eine Zustandsüberwachung vorgenommen werden.
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Eine Möglichkeit zur Zustandsüberwachung eines elektromechanischen Resonators mit zumindest einem piezoelektrischen Element, insbesondere eines elektromechanischen Resonators eines vibronischen Sensors, ist in der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102016120326.2 beschrieben. Anhand eines Verstärkungsfaktors und einer mechanischen Güte des elektromechanischen Resonators wird eine elektromechanische Effizienz des Resonators bestimmt, aus welcher verschiedene Aussagen über den Zustand des Resonators gewonnen werden können, beispielsweise über das Schwingungsverhalten, oder die Alterung des Resonators oder ähnliches
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Diagnosemöglichkeiten bezüglich eines vibronischen Sensors zu erweitern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element nach Anspruch 1, sowie durch die Vorrichtung zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums nach Anspruch 15.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Ermitteln einer Kapazität des piezoelektrischen Elements
- - Vergleichen der Kapazität mit einem ersten vorgebbaren Kapazitätswert,
- - Ermitteln eines Zustandsindikators aus dem Vergleich, und
- - Ausgeben einer Meldung über den Zustand.
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Im fortlaufenden Betrieb eines vibronischen Sensors wird die schwingfähige Einheit mittels der Antriebs-/Empfangseinheit über ein elektrisches Anregesignal zu mechanischen Schwingungen angeregt und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit über ein elektrisches Empfangssignal empfangen. Aus dem Empfangssignal neben der jeweiligen Prozessgröße, welche mittels des Sensors bestimmt und/oder überwacht wird, kann auch ein Wert für die Kapazität des piezoelektrischen Elements ermittelt werden. Die Kapazität ist wiederum ein Maß für die Polarisation des piezoelektrischen Elements, und damit einhergehend für die Güte der elektromechanischen Wandlung. Wird an ein piezoelektrisches Element eine elektrische Spannung angelegt, so bewirkt diese Spannung eine mechanische Deformation des piezoelektrischen Elements. Umgekehrt bewirkt eine mechanische Deformation des piezoelektrischen Elements eine Polarisation desselben.
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Die Polarisation eines piezoelektrischen Elements hängt jeweils vom Zustand desselben ab. Beispielsweise beeinflussen eine Alterung oder auch die Temperatur des piezoelektrischen Elements die Polarisation maßgeblich. Oberhalb der sogenannten Curie-Temperatur, welche charakteristisch für das jeweilige piezoelektrische Material ist, findet beispielsweise eine vollständige Depolarisation des piezoelektrischen Elements statt. Aber auch schon Temperaturen, welche geringfügig unterhalb der Curie-Temperatur liegen, führen zu einer teilweise permanenten Depolarisation des piezoelektrischen Elements. Als Alterung bezeichnet man dagegen das Bestreben eines piezoelektrischen Elements, seinen unverformten Gitterzustand wiederherstellen zu wollen. Dies äußert sich in einer kontinuierlichen Abnahme der remanenten Polarisation.
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Anhand der Kapazität lässt sich also vorteilhaft eine Aussage über die Polarisation des piezoelektrischen Elements treffen, und damit einhergehend über das piezoelektrische Element und/oder das Schwingungsverhalten des Sensors, welches in hohem Maße von der Güte der elektromechanischen Wandlung abhängt.
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Beispielsweise kann ermittelt werden, ob eine Abweichung der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Kapazität, bzw. eines ermittelten Wertes für diese Kapazität, und dem ersten vorgebbaren Kapazitätswert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Überschreitet die Abweichung den Grenzwert, so wird eine Meldung über den Zustand des Sensors generiert. Ebenso ist es denkbar, eine Abweichung zweier ermittelter Werte für die Kapazität zu zwei verschiedenen Zeitpunkten miteinander zu vergleichen und im Falle einer Änderung der Kapazität mit der Zeit, insbesondere über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus, eine Meldung über den Zustand des Sensors zu generieren. Der vorgebbare Grenzwert kann beispielsweise ein Messwert für die Kapazität im voll funktionsfähigen Zustand des piezoelektrischen Elements, beispielsweise im Auslieferungszustand, sein.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können dabei unterschiedliche Zustandsindikatoren ermittelt werden. Einige beispielhafte, bevorzugte Ausführungen sind in den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen wiedergegeben.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine, insbesondere mögliche, Schädigung, bzw. einen Defekt, des zumindest einen piezoelektrischen Elements. Es kann sich einerseits um eine Schädigung mit mechanischer Ursache handelt. Ebenso kann es sich aber um eine temperaturbedingte Schädigung, oder um eine Schädigung aufgrund einer Alterung des piezoelektrischen Elements handeln.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Kapazität als Funktion der Temperatur ermittelt wird. Die Kapazität des piezoelektrischen Elements ist, wie bereits erwähnt, eine Funktion der Temperatur. Indem die Kapazität als Funktion der Temperatur ermittelt wird, kann auf eine zumindest teilweise permanente Depolarisierung des piezoelektrischen Elements beispielsweise aufgrund zumindest zeitweise zu hoher Betriebstemperaturen und/oder Alterung geschlossen werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein Schwellenwert für die Kapazität und/oder ein Grenzwert für die Temperatur jeweils des zumindest einen piezoelektrischen Elements ermittelt wird, ab welchem Schwellenwert und/oder Grenzwert eine Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements festgestellt wird. Der Grenzwert der Temperatur wird insbesondere derart gewählt, dass er unterhalb der Curie-Temperatur liegt. Der Schwellenwert für die Kapazität wird wiederum bevorzugt derart gewählt, dass es sich bei dem Schwellenwert um die Kapazität des piezoelektrischen Elements bei dem Grenzwert für die Temperatur handelt.
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In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der erste vorgebbare Kapazitätswert derart gewählt wird, dass er dem Schwellenwert entspricht.
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Es ist ebenso von Vorteil, wenn im Falle des Erreichens eines zweiten vorgebbaren Kapazitätswerts eine Warnung über eine potentielle Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements ausgegeben wird, wobei der zweite vorgebbare Kapazitätswerts derart gewählt wird, dass er unterhalb des Schwellenwerts liegt. Die Kapazität wird also zusätzlich mit einem zweiten vorgebbaren Kapazitätswert verglichen, welcher insbesondere kleiner als der erste vorgebbare Kapazitätswert ist. Beispielsweise kann auf diese Weise ein Temperatur-Grenzbereich für die Verwendung der Vorrichtung definiert werden. Zwischen dem ersten und zweiten vorgebbaren Kapazitätswert kann die Vorrichtung zwar zumindest noch zeitweise betrieben werden, eine Schädigung, beispielsweise bedingt durch die Verwendung der Vorrichtung bei einer hohen Temperatur, insbesondere einer Temperatur nahe der Curie-Temperatur, kann aber nicht mehr vollständig ausgeschlossen werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Temperatur der Vorrichtung und/oder des Mediums ermittelt. Es kann dann beispielsweise angenommen werden, dass die Temperatur des Mediums und/oder der Vorrichtung der Temperatur des piezoelektrischen Elements entspricht.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Temperatur anhand der ermittelten Kapazität bestimmt wird. Dies kann beispielsweise anhand einer Referenzkurve geschehen, in welcher die Kapazität als Funktion der Temperatur dargestellt ist. Die Referenzkurve kann dabei beispielsweise in einer Elektronik der Vorrichtung beispielsweise hinterlegt sein.
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Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Temperatur mittels eines Temperatursensors gemessen wird. Der Temperatursensor kann in einem separaten Messgerät integriert, oder Teil der Vorrichtung sein.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet ferner, dass die Temperatur mittels des Temperatursensors gemessen und anhand der ermittelten Kapazität bestimmt wird, wobei die mittels des Temperatursensors gemessene Temperatur mit der anhand der Kapazität bestimmten Temperatur verglichen wird.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn im Falle einer Abweichung zwischen der mittels des Temperatursensors gemessenen Temperatur mit der anhand der Kapazität bestimmten Temperatur über einen vorgebbaren Temperatur-Grenzwert hinaus eine Meldung, insbesondere über den Zustand des Temperatursensors, ausgegeben wird. Es kann also mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch ein weiterer Temperatursensor überwacht werden, oder es kann eine gegenseitige Überwachung des Temperatursensors und der Vorrichtung vorgenommen werden.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine Alterung des zumindest einen piezoelektrischen Elements.
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In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine Polarisation des zumindest einen piezoelektrischen Elements.
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Noch eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Meldung über den Zustand erst nach einem vorgebbaren Zeitintervall ausgegeben wird, welches anhand der Kapazität und/oder Temperatur bestimmt wird. Im Falle, dass es beispielsweise vorgesehen ist, den Sensor bei hohen Temperaturen einzusetzen, ist eine Überwachung des Zustands des piezoelektrischen Elements besonders wichtig. Um eine schleichend eintretende Schädigung zu vermeiden, sollte eine Zeitdauer für den Betrieb in Abhängigkeit der gemessenen Kapazität begrenzt werden. Beispielsweise kann ein derartiges Vorgehen in Zusammenhang mit der Angabe des zweiten vorgebbaren Grenzwertes sinnvoll sein. In diesem Falle wird das Betreiben der Vorrichtung insbesondere in einem Grenzbereich zwischen dem ersten und zweiten vorgebbaren Grenzwert bzw. den diesen Grenzwerten entsprechenden Temperaturen zeitlich begrenzt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element, welche Vorrichtung zur Durchführung zumindest eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur der Vorrichtung und/oder des Mediums.
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Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen.
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Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - 2 näher beschrieben. Es zeigt:
- 1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors, und
- 2: ein schematisches Diagramm der Polarisation eines piezoelektrischen Elements in Abhängigkeit der Temperatur.
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In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche zumindest teilweise und/oder zeitweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 3 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 mit zumindest einem piezoelektrischen Element zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ist üblicherweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der mechanisch schwingfähige Einheit 4 verbunden, beispielsweise ist sie auf die schwingfähige Einheit 4 aufgeklebt. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder - speisung erfolgt.
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Die schwingfähige Einheit 4 wird über die Antriebs-/Empfangseinheit 5 mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 über die Antriebs-/Empfangseinheit 3 in Form eines elektrischen Empfangssignals empfangen und im Hinblick auf die jeweilige Prozessgröße ausgewertet. Dies geschieht in einer geeignet ausgestalteten Elektronikeinheit 6. Das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Einheit 4, und damit einhergehend die Messgenauigkeit der Vorrichtung, hängen entscheidend von der Güte der elektromechanischen Wandlung der Antriebs-/Empfangseinheit 5 ab.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es nun, eine Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors 1 durchzuführen. Dabei kann eine Schädigung des piezoelektrischen Elements erkannt werden. Beispielsweise kann eine Polarisation oder Alterung des piezoelektrischen Elements überwacht werden.
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Erfindungsgemäß wird die Kapazität C des piezoelektrischen Elements bestimmt und mit einem ersten vorgebbaren Kapazitätswert Cref,1 verglichen. Aus dem Vergleich wird dann ein Zustandsindikator ermittelt und eine Meldung über den Zustand ausgegeben. Die Meldung kann einerseits kontinuierlich zu jedem Zeitpunkt, zu dem das Verfahren durchgeführt wird, ausgegeben werden, oder nur in dem Fall, dass anhand des Vergleichs eine Schädigung des piezoelektrischen Elements tatsächlich auftritt.
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Eine Änderung der Kapazität C kann beispielsweise durch eine Alterung des piezoelektrischen Elements bedingt sein. Wie bereits erwähnt, beschreibt die Alterung das Bestreben des piezoelektrischen Elements, seinen natürlichen, unverformten Gitterzustand wiederherzustellen. Dies äußert sich in einer kontinuierlichen Abnahme der remanenten Polarisation des Elements.
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Eine weitere Ursache für eine mögliche Schädigung des piezoelektrischen Elements besteht in der Verwendung des Elements bei hohen Temperaturen. Beim Überschreiten der Curie-Temperatur Tc findet eine vollständige Depolarisation des piezoelektrischen Elements statt. Aber auch bereits bei Temperaturen T unterhalb der Curie-Temperatur Tc kann es zu einer teilweise permanenten Depolarisation des piezoelektrischen Elements kommen.
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Je nachdem, ob eine Änderung der ermittelten Kapazität C gegenüber dem ersten vorgebbaren Grenzwert Cref,1 auf eine Temperaturänderung, insbesondere auf das Überschreiten einer bestimmten vorgebbaren Temperatur T zurückzuführen ist oder nicht, kann ferner unterschieden werden, ob eine Schädigung beispielsweise durch eine Alterung oder durch eine zu hohe Temperatur hervorgerufen worden ist.
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Die Kapazität C eines piezoelektrischen Elements ist grundsätzlich von der Temperatur T abhängig. Ein schematischer Verlauf der Kapazität C als Funktion der Temperatur T ist in 2 dargestellt. Bei niedrigen Temperaturen T (hier bis ca. 200°C) steigt die Kapazität C im Wesentlichen linear mit der Temperatur T an. In diesem Bereich erfolgen Polarisation und Depolarisation des piezoelektrischen Elements aufgrund des piezoelektrischen Effekts im Wesentlichen reversibel (gestrichelte Linie). Eine temperaturbedingte Schädigung des piezoelektrischen Elements ist in der Regel auszuschließen.
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Bei höheren Temperaturen (T>200°C) dagegen tritt bereits zunehmen eine teilweise permanente Depolarisation auf, welche unter anderem vom jeweils verwendeten Material des piezoelektrischen Elements abhängt. Diese Depolarisation führt zu einer verringerten Effektivität, bzw. Güte, der elektromechanischen Wandlung des piezoelektrischen Elements und damit einhergehend zu einer Verschlechterung des Schwingungsverhaltens und der Messgenauigkeit des Sensors 1. Ein dauerhafter Betrieb im irreversiblen Bereich sollte vermieden, oder zeitlich begrenzt werden.
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Je nach Anwendung kann ein Schwellenwert für die Kapazität Cs und/oder ein Grenzwert für die Temperatur TG jeweils des zumindest einen piezoelektrischen Elements ermittelt wird, ab welchem Schwellenwert Cs und/oder Grenzwert TG eine Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements festgestellt wird. Dieser kann, wie im Falle der 2, in einem Übergangsbereich zwischen einem reversiblen Bereich, in welchem die Kapazität C linear mit der Temperatur T steigt, und einem irreversiblen Bereich, in welchem die Kapazität C nicht linear mit der Temperatur steigt, liegen. Er kann aber auch in einem dieser beiden Bereiche liegen. Jedoch sollte der Grenzwert nicht zu nahe an der Kapazität entsprechend der Curie-Temperatur Tc liegen, bei welcher eine vollständige Depolarisation eintritt.
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Der erste vorgebbare Kapazitätswert Cref,1 ist für die hier gezeigte Ausgestaltung denn so gewählt, dass er dem Schwellenwert Cs entspricht. In 2 nicht eingezeichnet ist ein optional festlegbarer zweiter vorgebbarer Grenzwert Cref,2 für die Kapazität, bei dessen Erreichen eine Meldung über eine potentielle Schädigung ausgegeben werden kann. Üblicherweise wird der zweite vorgebbare Grenzwert Cref,2 derart gewählt, dass er kleiner als der erste vorgebbare Grenzwert Cref,1 für die Kapazität ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibronischer Sensor
- 2
- Medium
- 3
- Behältnis
- 4
- Schwingfähige Einheit
- 5
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 6
- Elektronikeinheit
- AA
- Amplitude des Anregesignal
- AE
- Amplitude des Empfangssignals
- C
- Kapazität
- Cref,1, Cref,2
- erster, zweiter vorgebbarer Grenzwert für die Kapazität
- Cs
- Schwellenwert für die Kapazität
- T
- Temperatur
- Tc
- Curie-Temperatur
- TG
- Grenzwert für die Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006034105 A1 [0004]
- DE 102007013557 A1 [0004]
- DE 102005015547 A1 [0004]
- DE 102009026685 A1 [0004]
- DE 102009028022 A1 [0004]
- DE 102010030982 A1 [0004]
- DE 10057974 A1 [0005]
- DE 102006033819 A1 [0005]
- DE 10050299 A1 [0005]
- DE 102007043811 A1 [0005]
- DE 102005036409 A1 [0006]
- DE 102007008669 A1 [0007]