DE102019105302A1 - Point level sensor for adhering media and method for operating such a point level sensor - Google Patents

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Abstract

Grenzstandsensor (1) zur Erfassung eines Grenzstands eines Mediums (11), arbeitend nach dem Prinzip der Erfassung der Resonanzfrequenzverschiebung, mit einer Messsonde (3) zur Detektion des Mediums (11) und einer Befestigungsanordnung (5) zur Platzierung der Messsonde (3) in einem Behältnis, an der die Messsonde (3) endseitig angeordnet ist, d.g., d. an der Befestigungsanordnung (5) ein Ultraschallsender (7) angeordnet ist.Point level sensor (1) for detecting a limit level of a medium (11), working on the principle of detecting the resonance frequency shift, with a measuring probe (3) for detecting the medium (11) and a mounting arrangement (5) for placing the measuring probe (3) in a container on which the measuring probe (3) is arranged at the end, dg, d. an ultrasonic transmitter (7) is arranged on the fastening arrangement (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Grenzstandsensor für anhaftende Medien sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Grenzstandsensors.The present invention relates to a point level sensor for adhering media and a method for operating such a point level sensor.

Grenzstandsensor für Flüssigkeiten arbeiten nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzverschiebung. Es spielt dabei keine Rolle ob es sich beispielsweise um einen Impedanzgrenzschalter, wie er von der Anmelderin bspw. unter dem Namen VEGAPOINT vertrieben wird, oder um einen vibronischen Sensor, wie er von der Anmelderin bspw. unter dem Namen VEGASWING angeboten wird, handelt. Es wird in beiden Fällen eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und Amplitude des Sensors bewertet.Point level sensors for liquids work on the principle of resonance frequency shift. It does not matter whether it is, for example, an impedance limit switch as it is sold by the applicant, e.g. under the name VEGAPOINT, or a vibronic sensor, as it is offered by the applicant, e.g. under the name VEGASWING. In both cases, a shift in the resonance frequency and amplitude of the sensor is assessed.

Ein Grenzstandsensor für Flüssigkeiten ist bezüglich der Resonanzfrequenzverschiebung und Amplitudenänderung von Prozesseinflüssen wie Druck und Temperatur sowie von der Dichte/Viskosität des zu messenden Mediums abhängig. Die Resonanzfrequenzverschiebung und Amplitudenänderung bezogen auf den Betrieb in Luft, liefert eine Aussage darüber ob ein Grenzstandsensor frei in Luft oder mit einem Medium bedeckt ist. Bei anhaftenden Medien tritt das Problem auf, dass die Anhaftung zu einem falschen Messwert führt und somit auf einen falschen Betriebszustand geschlossen wird. Es kann nicht in allen Fällen unterschieden werden, ob es sich um eine Anhaftung oder eine komplette Bedeckung handelt. Die Zeitdauer, bis sich solche Anhaftungen von selbst lösen kann bei hoch viskosen Medien sehr groß sein, sodass über die gesamte Zeitdauer keine verlässliche Aussage darüber möglich ist, ob der Sensor mit Medium bedeckt ist, d.h. ob der zu überwachende Füllstand erreicht wurde, oder ob es sich lediglich um eine Anhaftung handelt.A point level sensor for liquids is dependent on process influences such as pressure and temperature as well as the density / viscosity of the medium to be measured with regard to the shift in resonance frequency and change in amplitude. The resonance frequency shift and amplitude change related to operation in air provides information about whether a point level sensor is free in air or covered with a medium. In the case of adhering media, the problem arises that the adherence leads to an incorrect measured value and thus an incorrect operating state is concluded. It cannot be differentiated in all cases whether it is an adhesion or a complete covering. The time it takes for such adhesions to dissolve by themselves can be very long in the case of highly viscous media, so that over the entire time it is not possible to make a reliable statement about whether the sensor is covered with the medium, i.e. whether the level to be monitored has been reached or whether it is simply a matter of adhesion.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grenzstandsensor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Grenzstandsensors anzugeben, bei dem diese Probleme nicht auftreten.It is the object of the present invention to specify a point level sensor and a method for operating such a point level sensor in which these problems do not occur.

Diese Aufgabe wir durch einen Grenzstandsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Grenzstandsensors mit den Merkmalend es Anspruchs 4 gelöst.This object is achieved by a point level sensor having the features of claim 1 and a method for operating a point level sensor having the features of claim 4.

Ein erfindungsgemäßer Grenzstandsensor oder Füllstandsensor zur Erfassung eines Grenzstands oder Füllstandes eines Mediums, arbeitend nach dem Prinzip der Erfassung der Resonanzfrequenzverschiebung, mit einer Messsonde zur Detektion des Mediums und einer Befestigungsanordnung zur Platzierung der Messsonde in einem Behältnis, an der die Messsonde endseitig angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass an der Befestigungsanordnung ein Ultraschallsender angeordnet ist.A limit level sensor or level sensor according to the invention for detecting a limit level or level of a medium, working on the principle of detecting the resonance frequency shift, with a measuring probe for detecting the medium and a fastening arrangement for placing the measuring probe in a container on which the measuring probe is arranged at the end, draws is characterized in that an ultrasonic transmitter is arranged on the fastening arrangement.

Unter Resonanzfrequenzverschiebung wird nicht nur die Änderung einer mechanischen Resonanzfrequenz verstanden, sondern auch die Verschiebung einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, in dem bspw. eine Kapazität ausgewertet wird. Zusätzlich oder alternativ kann eine Signalamplitude ausgewertet werden.The resonance frequency shift is understood to mean not only the change in a mechanical resonance frequency, but also the shift in a resonance frequency of an oscillating circuit in which, for example, a capacitance is evaluated. Additionally or alternatively, a signal amplitude can be evaluated.

Durch diesen speziellen Aufbau kann erreicht werden, dass der Grenzstandsensor sich selbständig von der Anhaftung befreit. Durch einen Selbstreinigungsmodus, welcher den Ultraschallsender aktiviert, sodass dieser die Sensoreinheit in Ultraschallschwingungen versetzt, lösen sich die Anhaftungen selbständig. Mit dieser Technik kann ein Grenzstandsensor auch in Medien mit starker Anhaftung ohne Fehlschaltungen betrieben werden.With this special structure it can be achieved that the point level sensor frees itself from the adhesion. A self-cleaning mode, which activates the ultrasonic transmitter so that it sets the sensor unit in ultrasonic vibrations, detaches the buildup automatically. With this technology, a point level sensor can also be operated in media with strong adherence without incorrect switching.

Die Befestigungsanordnung kann bspw. als Rohr ausgebildet sein. So wird eine einfache und stabile Befestigungsmöglichkeit geschaffen.The fastening arrangement can, for example, be designed as a tube. This creates a simple and stable attachment option.

Der Ultraschallsender ist vorzugsweise als Piezoelement ausgestaltet. Piezoelemente sind im Handel verfügbar und gut für die Erzeugung von Schwingungen im Ultraschall-Frequenzbereich geeignet.The ultrasonic transmitter is preferably designed as a piezo element. Piezo elements are commercially available and are well suited for generating vibrations in the ultrasonic frequency range.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Grenzstandsensors, wie er oben beschrieben wurde, weist der Grenzstandsensor einen Selbstreinigungsmodus auf, in dem der Ultraschallsender aktiviert wird. Durch das aktivieren des Selbstreinigungsmodus werden Anhaftungen effektiv entfernt. Der Selbstreinigungsmodus wird automatisch im bedeckten Zustand aktiviert und wieder gestoppt, wenn der Grenzstandsensor wieder ein unbedeckt-Signal ausgibt. Alternativ kann der Selbstreinigungsmodus auch zyklisch, bswp. jede 10. Messung aktiviert werden.In a method according to the invention for operating a point level sensor, as described above, the point level sensor has a self-cleaning mode in which the ultrasonic transmitter is activated. By activating the self-cleaning mode, buildup is effectively removed. The self-cleaning mode is automatically activated in the covered state and stopped again when the point level sensor emits an uncovered signal again. Alternatively, the self-cleaning mode can also be cyclical, e.g. activated every 10th measurement.

Der Selbstreinigungsmodus kann für eine Zeitdauer zwischen 10 % und 90% einer Messzeit des Sensors aktiviert werden. Durch eine Aktivierung in diesem Zeitbereich bleibt noch ausreichend Messzeit vorhanden um eine Grenzstandbestimmung durchzuführen, wobei gleichzeitig eine ausreichende Zeit zur Entfernung der Anhaftungen gegeben ist. Typischerweise dauert ein Messzyklus zur Grenzstandbestimmung 1000 ms, wobei die tatsächliche Messzeit 100 ms beträgt, sodass der Selbstreinigungsmodus zwischen 100 ms und 900 ms aktiviert werden kann.The self-cleaning mode can be activated for a period between 10% and 90% of a measuring time of the sensor. Activation in this time range means that there is still sufficient measuring time to carry out a limit level determination, with sufficient time to remove the buildup at the same time. A measuring cycle for limit level determination typically takes 1000 ms, the actual measuring time being 100 ms, so that the self-cleaning mode can be activated between 100 ms and 900 ms.

Um eine besonders effektive Reinigung zu erreichen, kann der Ultraschallsensor auf einer Frequenz zwischen 20 kHz und 400 kHz betrieben werden. Vorzugsweise kann eine Frequenz des Ultraschallsenders zwischen 20 kHz und 400 kHz druchgesweept, d.h. kontinuierlich, bspw. in einer Frequenzrampe verändert, oder in diskreten Frequenzschritten von bspw. 5 Hz oder 10 Hz angesteuert werden.In order to achieve particularly effective cleaning, the ultrasonic sensor can be operated at a frequency between 20 kHz and 400 kHz. A frequency of the ultrasonic transmitter between 20 kHz and 400 kHz can preferably be swept through, ie continuously, for example in one The frequency ramp can be changed, or controlled in discrete frequency steps of, for example, 5 Hz or 10 Hz.

Der Grenzstandsensor kann mit Hilfe der Selbstreinigung in stark anhaftende Medien betrieben werden.The point level sensor can be operated in strongly adhering media with the help of self-cleaning.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen Grenzstandsensor gemäß der vorliegenden Anmeldung und
  • 2a) bis 2e) den Ablauf eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Anmeldung.
The present invention is explained in detail below on the basis of an exemplary embodiment with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 a point level sensor according to the present application and
  • 2a) to 2e) the sequence of a method according to the present application.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit einem Grenzstandsensor 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. 1 shows a first embodiment of a measuring arrangement with a limit level sensor 1 according to the present application.

Der Grenzstandsensor 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Behältnis 9 für ein Medium 11 angeordnet. Der Grenzstandsensor 1 weist eine endseitig an einer Befestigungsanordnung 5 angeordnete Messsonde 3 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Impedanzsensor ausgebildet ist. Der Impedanzsensor ist zur Messung des Füllstands in einem Messschwingkreis angeordnet, in dem er als kapazitätsbestimmendes Element wirkt. Durch eine Bedeckung des Impedanzsensors mit Medium ändert sich dessen Kapazität, sodass sich eine Resonanzfrequenz des Messschwingkreises verändert und entsprechend eine Bedeckung der Messsonde 3 detektiert werden kann.The point level sensor 1 is in the present embodiment in a container 9 for a medium 11 arranged. The point level sensor 1 has an end on a fastening arrangement 5 arranged measuring probe 3 which is designed as an impedance sensor in the present embodiment. To measure the fill level, the impedance sensor is arranged in a measuring oscillating circuit in which it acts as a capacitance-determining element. Covering the impedance sensor with medium changes its capacitance, so that a resonance frequency of the measuring oscillating circuit changes and, accordingly, the measuring probe is covered 3 can be detected.

Die Befestigungsanordnung 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Rohr ausgebildet, an dem der die Messsonde 3 des Grenzstandsensors 1 endseitig angeordnet ist. An dem Rohr ist in Längsrichtung gesehen hinter dem der Messsonde 3 ein Ultraschallsender 7 angeordnet, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch an dem Rohr an geordnete Piezoelemente gebildet ist.The fastening arrangement 5 is designed in the present embodiment as a tube on which the measuring probe 3 of the point level sensor 1 is arranged at the end. On the pipe is behind that of the measuring probe, seen in the longitudinal direction 3 an ultrasonic transmitter 7th arranged, which in the present embodiment is formed by piezo elements arranged on the tube.

Wenn das Medium 11 den vorgegebenen Höchststand, der mittels des Grenzstandsensors 1 erfasst werden soll, erreicht, so bedeckt dieses den Grenzstandsensor 1 im Bereich der Messsonde 3, sodass der zu detektierende maximale Füllstand von dem Grenzstandsensor 1 erfasst werden kann.If the medium 11 the specified maximum level, which is determined by means of the point level sensor 1 is to be detected, it covers the point level sensor 1 in the area of the measuring probe 3 so that the maximum level to be detected by the limit level sensor 1 can be captured.

Ist das Medium 11 ein Medium hoher Viskosität, wie beispielsweise Honig, Ketschup oder Rohöl, so kann dieses Medium 11 an dem Grenzstandsensor 1 anhaften, sodass unter Umständen nicht mehr unterschieden werden kann, ob der Grenzstandsensor 1 bzw. dessen Messsonde 3 von dem Medium 11 bedeckt ist, oder ob es sich lediglich um eine Anhaftung handelt. Durch Aktivieren des Ultraschallsenders 7 kann der Grenzstandsensor 1 in hochfrequente Schwingungen versetzt werden, sodass sich eventuell vorhandene Anhaftungen von diesem lösen. Die Ultraschallschwingungen weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Frequenz zwischen 20 kHz und 400 kHz auf, wobei diese Frequenz kontinuierlich durch Sweep, d. h. die Frequenz von einer Startfrequenz von 20 kHz bis hin zu einer Endfrequenz von 400 kHz kontinuierlich verändert wird. Dieser Selbstreinigungsmodus wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zyklisch bei jeder zehnten Messung aktiviert, sodass zu jedem Zeitpunkt eine korrekte Messung vorliegt.Is the medium 11 a medium of high viscosity such as honey, ketchup or crude oil, this medium can 11 at the point level sensor 1 stick, so that it may no longer be possible to distinguish whether the point level sensor 1 or its measuring probe 3 from the medium 11 is covered, or whether it is just an attachment. By activating the ultrasonic transmitter 7th can the point level sensor 1 be set in high-frequency vibrations so that any adhesions that may be present are detached from it. In the present exemplary embodiment, the ultrasonic vibrations have a frequency between 20 kHz and 400 kHz, this frequency being continuously changed by sweep, ie the frequency from a starting frequency of 20 kHz to an end frequency of 400 kHz. In the present exemplary embodiment, this self-cleaning mode is activated cyclically with every tenth measurement, so that a correct measurement is available at every point in time.

Die 2a) bis 2e) zeigen einen möglichen Ablauf, wie er beim Einsatz einer Messanordnung, wie sie in 1 gezeigt ist, möglich ist.The 2a) to 2e) show a possible sequence of events when using a measuring arrangement as described in 1 shown is possible.

In 2a) ist der Grenzstandsensor in unbedecktem Zustand, d. h. frei schwingend in Luft, dargestellt. Der Grenzstandsensor 1 signalisiert dementsprechend, dass er „unbedeckt“ ist. In 2b) ist der Grenzstandsensor 1 an dem die Messsonde 3 aufweisenden Ende von dem Medium 11 in dem Behälter 9 bedeckt, sodass er korrekterweise den Zustand „bedeckt „ausgibt. In 2C ist ein Füllstand des Mediums 11 wieder unter den Maximalfüllstand, der von dem Grenzstandsensor 1 überwacht wird, abgesunken, es sind jedoch Anhaftungen an dem Grenzstandsensor 1 im Bereich der Messsonde 3 zurückgeblieben, sodass dieser weiterhin - diesmal fälschlicherweise - den Zustand „bedeckt „ausgibt. Durch Aktivieren des Selbstreinigungsmodus des Grenzstandsensors 1, d. h. durch Aktivieren des Ultraschallsenders 7, wird die Befestigungsanordnung 5 des Grenzstandsensors 1 in hochfrequente Schwingungen versetzt, wodurch sich die Anhaftungen von dem Grenzstandsensor 1 lösen, sodass dieser nach Beendigung des Selbstreinigungsmodus wie in 2e) dargestellt wieder frei in Luft schwingen und korrekterweise den Zustand „unbedeckt“ ausgibt.In 2a) the point level sensor is shown in an uncovered state, ie swinging freely in air. The point level sensor 1 accordingly signals that it is "uncovered". In 2 B) is the point level sensor 1 on which the measuring probe 3 having end of the medium 11 in the container 9 covered, so that it correctly outputs the status "covered". In 2C is a fill level of the medium 11 again below the maximum level determined by the point level sensor 1 is monitored, dropped, but there are buildup on the limit level sensor 1 in the area of the measuring probe 3 so that it continues - this time incorrectly - to output the status "covered". By activating the self-cleaning mode of the point level sensor 1 , ie by activating the ultrasonic transmitter 7th , becomes the fastening arrangement 5 of the point level sensor 1 set in high-frequency vibrations, which removes the buildup from the point level sensor 1 so that after the end of the self-cleaning mode it is as in 2e) Swing freely in the air again and correctly outputs the status "uncovered".

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
GrenzstandsensorPoint level sensor
22
MesssondeMeasuring probe
33
BefestigungsanordnungMounting arrangement
55
UltraschallsenderUltrasonic transmitter
99
Behältniscontainer
1111
Mediummedium
1313
AnhaftungAttachment

Claims (6)

Grenzstandsensor oder Füllstandsensor (1) zur Erfassung eines Grenzstands oder Füllstandes eines Mediums (11), arbeitend nach dem Prinzip der Erfassung der Resonanzfrequenzverschiebung, mit einer Messsonde (3) zur Detektion des Mediums (11) und einer Befestigungsanordnung (5) zur Platzierung der Messsonde (3) in einem Behältnis, an der die Messsonde (3) endseitig angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , dass an der Befestigungsanordnung (5) ein Ultraschallsender (7) angeordnet ist.Limit level sensor or level sensor (1) for detecting a limit level or level of a medium (11), working according to the principle of detecting the resonance frequency shift, with a measuring probe (3) for detecting the medium (11) and a fastening arrangement (5) for placing the measuring probe (3) in a container on which the measuring probe (3) is arranged at the end, characterized in that an ultrasonic transmitter (7) is arranged on the fastening arrangement (5). Grenzstandsensor (1) gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsanordnung (5) als Rohr ausgebildet ist.Point level sensor (1) according to Claim 1 , characterized in that the fastening arrangement (5) is designed as a tube. Grenzstandsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallsender (7) als Piezoelement ausgestaltet ist.Point level sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic transmitter (7) is designed as a piezo element. Verfahren zum Betreiben eines Grenzstandsensors (1) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstandsensor (1) einen Selbstreinigungsmodus aufweist, in dem der Ultraschallsender (7) aktiviert wird.Method for operating a limit level sensor (1) according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the limit level sensor (1) has a self-cleaning mode in which the ultrasonic transmitter (7) is activated. Verfahren gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Selbstreinigungsmodus zwischen 10 % und 90% einer Messzeit des Grenzstandsensors (1) aktiviert wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the self-cleaning mode is activated between 10% and 90% of a measuring time of the limit level sensor (1). Verfahren gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (7) auf einer Frequenz zwischen 20 kHz und 400 kHz betrieben wird, vorzugsweise die Frequenz druchgesweept wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the ultrasonic transmitter (7) is operated at a frequency between 20 kHz and 400 kHz, preferably the frequency is swept through.
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