DE102021127524A1

DE102021127524A1 - Process for determining the resonance frequency of a vibronic sensor and vibronic sensor

Info

Publication number: DE102021127524A1
Application number: DE102021127524.5A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Benjamin Schätzle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Resonanzfrequenz eines vibronischen Sensors (1), der eine schwingfähige Einheit (2) aufweist, wobei die schwingfähige Einheit (2) des Sensors (1) mit einem Anregungssignal (16, 16') zur Schwingung angeregt wird und aus einer Schwingungsreaktion der schwingfähigen Einheit (2) die Resonanzfrequenz ermittelt wird. Die schwingfähige Einheit (2) wird mit einem pulsförmigen Anregungssignal (16, 16') angeregt, das ein mehrere Frequenzen umfassendes Frequenzspektrum (10, 13) aufweist.Die Erfindung betrifft ferner einen vibronischen Sensor (1) mit einer schwingfähigen Einheit (2) und einer zur Ausführung eines solchen Verfahrens ausgebildeten Steuereinheit (5). Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen vibronischen Sensors (1) als Vibrationsgrenzstandsensor oder Vibrationsfüllstandsensor.The invention relates to a method for determining the resonance frequency of a vibronic sensor (1) which has an oscillatable unit (2), the oscillatable unit (2) of the sensor (1) being excited to oscillate with an excitation signal (16, 16'). and the resonant frequency is determined from an oscillating reaction of the oscillatable unit (2). The oscillatable unit (2) is excited with a pulse-shaped excitation signal (16, 16') which has a frequency spectrum (10, 13) comprising several frequencies a control unit (5) designed to carry out such a method. The invention also relates to the use of such a vibronic sensor (1) as a vibration limit level sensor or vibration level sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Resonanzfrequenz eines vibronischen Sensors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen vibronischen Sensor.The invention relates to a method for determining the resonance frequency of a vibronic sensor according to the preamble of claim 1 and to a vibronic sensor.

In der Prozess- und Fabrikautomation werden zur Überwachung und zur Steuerung von Prozessen, elektronische Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren können beispielsweise zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern eingesetzt werden.In process and factory automation, electronic sensors are used to monitor and control processes. Such sensors can be used, for example, to detect fill levels, limit levels or to monitor process parameters.

Eine weit verbreitete Gattung solcher Sensoren stellen vibronische Sensoren (hierin auch als Vibrationssensor oder Vibrationsgrenzstandsensoren bezeichnet) dar. Vibronische Sensoren zur Detektion von Füllständen oder Grenzständen arbeiten durch das Anregen einer schwingfähigen Einheit mit deren Resonanzfrequenz. Das Bedecken des Schwingelements durch eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut ändert dessen Resonanzfrequenz. Durch Überschreiten eines vorgegebenen Werts dieser Änderung kann dann beispielsweise ein Schaltbefehl generiert werden. Daher werden solche Sensoren verbreitet auch als Vibrationsgrenzstandschalter oder vereinfacht Grenzstandschalter bezeichnet.A widespread type of such sensors are vibronic sensors (herein also referred to as vibration sensors or vibrating limit level sensors). Vibronic sensors for detecting fill levels or limit levels work by exciting an oscillatable unit with its resonant frequency. Covering the oscillating element with a liquid or bulk material changes its resonant frequency. By exceeding a predetermined value of this change, a switching command can then be generated, for example. For this reason, such sensors are also commonly referred to as vibrating level switches or simply level switches.

Um die schwingfähige Einheit mit ihrer Resonanzfrequenz anzuregen, muss diese jedoch bekannt sein, beziehungsweise gefunden werden. Ein mögliches Verfahren zum Ermitteln der Resonanzfrequenz stellt ein Frequenzsuchlauf in Form eines Frequenzsweeps dar. Dabei wird ein fest definiertes Frequenzband von einer Startfrequenz bis zu einer Stoppfrequenz durchgewobbelt. Da so alle Frequenzanteile zwischen Start- und Stoppfrequenz vorkommen, ist auf diese Weise sichergestellt, dass die Anregung der schwingfähigen Einheit des vibronischen Sensors mit der korrekten Resonanzfrequenz stattfindet.However, in order to excite the oscillatable unit with its resonant frequency, this must be known or found. A possible method for determining the resonant frequency is a frequency search in the form of a frequency sweep. A defined frequency band is swept through from a start frequency to a stop frequency. Since all frequency components between the start and stop frequency occur in this way, it is ensured in this way that the excitation of the oscillatable unit of the vibronic sensor takes place with the correct resonance frequency.

Ein linearer sinusförmiger Frequenzsweep kann durch $s (t) = A * cos (2 π f_{o} t + π k t^{2})$

beschrieben werden. Dabei beschreibt s(t) das Signal zum Zeitpunkt t, A die Amplitude, f₀ die Startfrequenz und k die Sweepkonstante, welche sich aus der Sweepbandbreite und der Sweepdauer ergibt.A linear sinusoidal frequency sweep can be done by

s (t) = A * cos (2 π f_{O} t + π k t^{2})

to be discribed. Here, s(t) describes the signal at time t, A the amplitude, f ₀ the start frequency and k the sweep constant, which results from the sweep bandwidth and the sweep duration.

Ebenso gibt es die Möglichkeit einen Sweep in Form eines Rechtecksignals zu generieren: $f (t) = s g n (A * cos (2 π f_{o} t + π k t^{2}))$

It is also possible to generate a sweep in the form of a square-wave signal:

f (t) = s G n (A * cos (2 π f_{O} t + π k t^{2}))

Weiterhin sind exponentielle Sweeps der Form $s (t) = A * cos (\frac{2 π f_{o}}{ln (k)} (k^{t} - 1))$

möglich.Furthermore, exponential sweeps are of the form

s (t) = A * cos (\frac{2 π f_{O}}{ln (k)} (k^{t} - 1))

possible.

Die vorstehenden Sweepformen sind lediglich als Beispiele und nicht als vollständige Auflistung zu verstehen. Auch diverse andere Sweepformen sind denkbar.The above sweep shapes are intended as examples only and not as a complete listing. Various other sweep forms are also conceivable.

Alle diese Signalformen unterliegen gewissen Einschränkungen. Um durch einen Sweep genügend Energie in das schwingfähige System einzubringen ist es erforderlich, dass diese Parameter gewisse Randbedingungen erfüllen. So darf beispielsweise die Sweepdauer nicht zu kurz gewählt werden, da sonst die Resonanzfrequenz während des Sweeps zu kurz anliegt und so nicht genügend Energie ins System, insbesondere in die schwingfähige Einheit eines vibronischen Sensors, eingebracht werden kann. Ebenso ist es möglich, dass die Resonanzfrequenz bereits gleich zu Beginn des Sweeps getroffen wird, was zur Folge hat, dass das schwingende System für die restliche Dauer des Sweeps gedämpft wird und am Ende des Sweeps die Schwingung schon abgeklungen ist.All of these waveforms are subject to certain limitations. In order to introduce sufficient energy into the oscillatable system through a sweep, it is necessary for these parameters to meet certain boundary conditions. For example, the sweep duration must not be too short, otherwise the resonant frequency during the sweep is too short and not enough energy can be introduced into the system, especially into the oscillatable unit of a vibronic sensor. It is also possible that the resonant frequency is already hit at the beginning of the sweep, with the result that the oscillating system is damped for the remaining duration of the sweep and the oscillation has already decayed at the end of the sweep.

Nach der Schwingungsanregung wird das schwingfähige System auf die Frequenz beim Ausschwingen (mech. Resonanz) untersucht. Wird kein Signal zurückerhalten, kann davon ausgegangen werden, dass sich z. B. ein Vibrationsgrenzschalter im bedeckten Zustand befindet.After the oscillation excitation, the oscillatable system is examined for the frequency during oscillation (mechanical resonance). If no signal is received back, it can be assumed that e.g. B. a vibrating limit switch is in the covered state.

Ein noch weiteres Verfahren besteht darin, das schwingfähige System als Teil eines geschlossenen Regelkreises zu betreiben, der dazu ausgestaltet ist, das Schwingelement, ausgehend von einer Startfrequenz, auf die Resonanzfrequenz zu regeln.Yet another method consists in operating the oscillatable system as part of a closed control loop which is designed to regulate the oscillating element, starting from a starting frequency, to the resonant frequency.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Resonanzfrequenz eines vibronischen Sensors sowie einen vibronischen Sensor bereitzustellen, die im Vergleich zu bekannten Verfahren bzw. Sensoren eine zuverlässige und schnelle Bestimmung der Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit des Sensors ermöglichen, so dass eine hohe Ermittlungsrate möglich ist. Außerdem soll eine Reaktionsgeschwindigkeit des vibronischen Sensors verbessert, insbesondere erhöht sein.Against this background, the invention is based on the object of providing a method for determining the resonant frequency of a vibronic sensor and a vibronic sensor which, in comparison to known methods or sensors, enable the resonant frequency of an oscillatable unit of the sensor to be determined reliably and quickly, so that a high detection rate is possible. In addition, a reaction speed of the vibronic sensor should be improved, in particular increased.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst sowie durch einen vibronischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a vibronic sensor having the features of claim 9. Other particularly advantageous Ausge Developments of the invention are disclosed in the respective dependent claims.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be pointed out that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically sensible way (even across category boundaries, for example between method and device) and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.

Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and/or” used herein, standing between two features and linking them to one another, must always be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second embodiment only the second feature may be present and in a third embodiment both the first and the second feature may be present.

Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Also, as used herein, a term "about" is intended to indicate a range of tolerance considered normal by those skilled in the art.

Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.In particular, the term “approximately” means a tolerance range of the related size of up to a maximum of +/-20%, preferably up to a maximum of +/-10%.

Im Sinne der Erfindung sind verwendete relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen, stets so auszulegen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist eine Größe eines Merkmals erst dann als „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.Within the meaning of the invention, relative terms used with regard to a feature, for example "larger", "smaller", "higher", "lower" and the like, are always to be interpreted in such a way that manufacturing and / or implementation-related size deviations of the relevant feature that are within of the manufacturing/performance tolerances defined for the respective production or implementation are not covered by the respective relative term. In other words, a variable of a feature is only to be regarded as "larger", "smaller", "higher", "lower" and the like than a variable of a comparison feature if the two compared variables differ so significantly in their value that this difference in size certainly does not fall within the manufacturing/performance-related tolerance range of the relevant feature, but is the result of targeted action.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Ermittlung der Resonanzfrequenz eines vibronischen Sensors, der eine schwingfähige Einheit aufweist, die schwingfähige Einheit des Sensors mit einem Anregungssignal zur Schwingung, insbesondere zu mechanischen Schwingungen, angeregt und aus einer Schwingungsreaktion der schwingfähigen Einheit deren Resonanzfrequenz ermittelt. Die schwingfähige Einheit wird hierbei mit einem pulsförmigen Anregungssignal angeregt, das ein mehrere Frequenzen umfassendes Frequenzspektrum aufweist.According to the invention, in a method for determining the resonant frequency of a vibronic sensor which has an oscillatable unit, the oscillatable unit of the sensor is excited with an excitation signal to oscillate, in particular to mechanical oscillations, and its resonance frequency is determined from an oscillating reaction of the oscillatable unit. The oscillatable unit is excited with a pulsed excitation signal that has a frequency spectrum that includes a number of frequencies.

Als pulsförmig ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein impuls- oder stoßartiger Vorgang, insbesondere ein mechanischer Vorgang zu verstehen, der z. B. mittels eines hierzu entsprechend ausgebildeten Antriebs erzeugt werden kann und in die schwingfähige Einheit eingekoppelt bzw. auf diese übertragen wird, um diese letztlich in (mechanische) Schwingung zu versetzen. Ein einzelner Puls ist damit zunächst ein einmaliger Vorgang, dessen Augenblickswerte nur innerhalb einer beschränkten Zeitspanne merklich von null abweichen.In the context of the invention, a pulsed process, in particular a mechanical process, is to be understood as a pulsed process. B. can be generated by means of a correspondingly designed drive and is coupled into the oscillatable unit or transmitted to it in order to ultimately set it in (mechanical) vibration. A single pulse is therefore initially a one-off process, the instantaneous values of which deviate noticeably from zero only within a limited period of time.

Der Sensor kann einen Antrieb zur Erzeugung des pulsförmigen Anregungssignals, d. h. einer pulsförmigen Anregungsschwingung, und zur Übertragung auf die schwingfähige Einheit aufweisen.The sensor can have a drive for generating the pulse-shaped excitation signal, i. H. a pulsed excitation oscillation, and for transmission to the oscillatable unit.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass unterschiedliche Frequenzanteile, die bei einem gewöhnlichen Frequenzsweep nacheinander durchlaufen werden, um die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Sensoreinheit zu ermitteln, nun in einem einzigen pulsförmigen Anregungsereignis zusammengefasst, das heißt überlagert, werden können, um die schwingfähige Einheit auf diese Weise mit nur einem einzigen pulsförmigen Anregungssignal zu Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen anzuregen. Mit anderen Worten kann die pulsförmige Anregung nun die gleichen Frequenzanteile aufweisen, wie sie bei einem gewöhnlichen Frequenzsweep zur Ermittlung der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems angewendet werden, wobei die Frequenzen jedoch nicht nacheinander generiert und nacheinander in das schwingfähige System eingeleitet werden, sondern gemäß der Erfindung gleichzeitig und überlagert. Dies weist u. a. den Vorteil auf, dass die Zeitdauer der Anregung deutlich verkürzt ist im Vergleich zum herkömmlichen Frequenzsweep. Dadurch können sowohl die Ermittlungsrate (d. h. Messrate) der Resonanzfrequenz als auch die Reaktionsgeschwindigkeit der schwingfähigen Einheit erhöht werden.The invention is based on the surprising finding that different frequency components, which are run through one after the other in a normal frequency sweep in order to determine the resonant frequency of the oscillatable sensor unit, can now be combined in a single pulse-shaped excitation event, i.e. superimposed, to the oscillatable unit in this way with only a single pulse-shaped excitation signal to excite oscillations with different frequencies. In other words, the pulse-shaped excitation can now have the same frequency components as are used in a normal frequency sweep to determine the resonant frequency of the oscillatable system, but the frequencies are not generated one after the other and introduced into the oscillatable system one after the other, but rather simultaneously according to the invention and superimposed. This indicates, among other things, has the advantage that the duration of the excitation is significantly shorter compared to the conventional frequency sweep. As a result, both the determination rate (i.e. measurement rate) of the resonant frequency and the reaction speed of the oscillatable unit can be increased.

Da die pulsförmige Anregung auf eine - insbesondere im Vergleich zum herkömmlichen Frequenzsweep - verhältnismäßig kurze Zeitspanne beschränkt ist, wird zudem eine nachteilige Dämpfung während der Anregung der schwingfähigen Einheit des Sensors vermieden, so dass die Resonanzfrequenz zuverlässiger ermittelt werden kann und der von dem Anregungssignal in die schwingfähige Einheit bewirkte Energieeintrag effizienter stattfindet.Since the pulsed excitation is limited to a relatively short period of time, especially compared to conventional frequency sweeps, disadvantageous damping during the excitation of the oscillatable unit of the sensor is avoided, so that the resonant frequency can be determined more reliably and the oscillatable unit effected energy input takes place more efficiently.

Es ist zu verstehen, dass zur Ermittlung der gesuchten Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit des Sensors das Frequenzspektrum des pulsförmigen Anregungssignals so gewählt wird, dass die gesuchte Resonanzfrequenz im Frequenzspektrum enthalten ist.It is to be understood that in order to determine the sought-after resonant frequency of the oscillatable unit of the sensor, the frequency spectrum of the pulse-shaped excitation signal is selected such that the sought-after resonant frequency is contained in the frequency spectrum.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Frequenzspektrum des pulsförmigen Anregungssignals kontinuierlich oder wenigstens teilweise kontinuierlich. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Anregungssignal alle Frequenzen zumindest eines vorgegebenen Frequenzbands bzw. -teilbands enthält. Bevorzugt ist das gesamte Frequenzspektrum des pulsförmigen Anregungssignals kontinuierlich. Die gesuchte Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit wird bei ihrer Anregung damit selbst bei unterschiedlich stark ausgeprägten Verschiebungen während des Sensorbetriebs sicher getroffen, so dass die augenblickliche Resonanzfrequenz zuverlässig und genau ermittelt werden kann, beispielsweise zur Bestimmung eines Füll- oder Grenzstands eines flüssigen oder schüttfähigen Mediums.According to an advantageous embodiment of the invention, the frequency spectrum of the pulsed excitation signal is continuous or at least partially continuous. In this way it can be ensured that the excitation signal contains all frequencies of at least one predetermined frequency band or sub-band. The entire frequency spectrum of the pulsed excitation signal is preferably continuous. The desired resonant frequency of the oscillatable unit is thus reliably found when it is excited, even with displacements of different degrees during sensor operation, so that the instantaneous resonant frequency can be determined reliably and precisely, for example to determine a fill level or limit level of a liquid or pourable medium.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands ist das Frequenzspektrum des pulsförmigen Anregungssignals bandbegrenzt. Mit anderen Worten weist das Frequenzspektrum eine vorbestimmbare Startfrequenz und eine vorbestimmbare Stoppfrequenz auf, wobei die Stoppfrequenz ohne Beschränkung der Allgemeinheit größer als die Startfrequenz sein kann. Mittels Start- und Stoppfrequenz lässt sich die Bandbreite des Frequenzspektrums in effizienter Weise gezielt auf einen relevanten Frequenzbereich beschränken, in dem die gesuchte Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit zu erwarten ist.According to a further advantageous embodiment of the subject matter of the invention, the frequency spectrum of the pulsed excitation signal is band-limited. In other words, the frequency spectrum has a predeterminable start frequency and a predeterminable stop frequency, it being possible for the stop frequency to be greater than the start frequency without loss of generality. By means of the start and stop frequency, the bandwidth of the frequency spectrum can be efficiently limited to a relevant frequency range in which the sought-after resonant frequency of the oscillatable unit is to be expected.

Ist das Frequenzspektrum des gesamten pulsförmigen Anregungssignals zudem kontinuierlich, weist das Anregungssignal sämtliche zwischen der Star- und Stoppfrequenz liegenden Frequenzen auf, so dass die gesuchte Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit bei ihrer Anregung sicher getroffen wird und folglich unabhängig von einer (z. B. betriebsbedingten) Verschiebung zuverlässig und genau ermittelt werden kann, beispielsweise zur Bestimmung eines Füll- oder Grenzstands eines flüssigen oder schüttfähigen Mediums.If the frequency spectrum of the entire pulse-shaped excitation signal is also continuous, the excitation signal has all the frequencies between the start and stop frequency, so that the desired resonant frequency of the oscillatable unit is reliably met when it is excited and is therefore independent of a (e.g. operational) Shift can be determined reliably and accurately, for example to determine a level or level of a liquid or pourable medium.

Es ist denkbar, die schwingfähige Einheit mit einem Rauschsignal als pulsförmiges Anregungssignal anzuregen. Um hierbei genügend Energie in das System einzubringen, kann das Anregungs- bzw. Rauschsignal vorzugsweise mit einem Verstärker verstärkt werden. Die grundsätzlich bandbegrenzende Wirkung des Verstärkers begrenzt das Frequenzspektrum des Rausch- bzw. pulsförmigen Anregungssignals.It is conceivable to excite the oscillatable unit with a noise signal as a pulsed excitation signal. In order to introduce sufficient energy into the system, the excitation or noise signal can preferably be amplified with an amplifier. The basically band-limiting effect of the amplifier limits the frequency spectrum of the noise or pulsed excitation signal.

Ein kontinuierliches Frequenzspektrum des gesamten pulsförmigen Anregungssignals gemäß der Erfindung kann im Wesentlichen einem herkömmlichen linearen Frequenzsweep entsprechen, bei dem zusätzlich alle Frequenzanteile mit gleicher Amplitude vorkommen können. Der Nachteil eines solchen Frequenzsweeps liegt in der Zeitdauer, da alle Frequenzen nacheinander generiert werden, wie oben bereits erläutert wurde. Je kürzer die Sweepdauer, also je größer die so genannte Sweepkonstante, desto geringer ist allerdings der Energiegehalt je Frequenz. A continuous frequency spectrum of the entire pulse-shaped excitation signal according to the invention can essentially correspond to a conventional linear frequency sweep, in which all frequency components can also occur with the same amplitude. The disadvantage of such a frequency sweep is the length of time, since all frequencies are generated one after the other, as already explained above. However, the shorter the sweep duration, i.e. the greater the so-called sweep constant, the lower the energy content per frequency.

Folglich muss bei einem herkömmlichen Frequenzsweep stets eine bestimmte Mindestsweepdauer gewährleistet sein, um ausreichend Energie in das schwingfähige System einzubringen. Merkliche Energie lässt sich hierbei in Abhängigkeit von der Güte der schwingfähigen Einheit nur in unmittelbarer Umgebung der Resonanzfrequenz einbringen. Wie hierin offenbart, beseitigt die erfindungsgemäße pulsförmige Anregung u. a. genau diese Nachteile.Consequently, with a conventional frequency sweep, a specific minimum sweep duration must always be guaranteed in order to introduce sufficient energy into the oscillatable system. Depending on the quality of the oscillatable unit, noticeable energy can only be introduced in the immediate vicinity of the resonant frequency. As disclosed herein, the pulsed excitation of the present invention eliminates i.a. exactly these disadvantages.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass die schwingfähige Einheit periodisch mit dem pulsförmigen Anregungssignal nach Art einer Pulsfolge angeregt wird. Die Pulsfolge stellt eine sich periodisch wiederholende impuls- oder stoßartige (mechanische) Anregung der schwingfähigen Einheit sicher. So lassen sich zeitliche Änderungen der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit, beispielsweise infolge eines mit der schwingfähigen Einheit in Wechselwirkung tretenden Mediums, quasi kontinuierlich oder intermittierend feststellen und entsprechend auswerten. Beispielsweise kann der Vibrationssensor auf diese Weise zuverlässig als Füllstand- oder Grenzstandsensor verwendet werden, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.Another advantageous embodiment of the subject matter of the invention provides that the oscillatable unit is periodically excited with the pulsed excitation signal in the manner of a pulse train. The pulse sequence ensures a periodically repeated impulse or shock-like (mechanical) excitation of the oscillatable unit. In this way, temporal changes in the resonant frequency of the oscillatable unit, for example as a result of a medium interacting with the oscillatable unit, can be determined quasi-continuously or intermittently and evaluated accordingly. In this way, for example, the vibration sensor can be used reliably as a fill level or limit level sensor, but without being necessarily limited to this.

Der zeitliche Abstand der einzelnen pulsförmigen Anregungssignale innerhalb der Pulsfolge, das heißt die Periodendauer bzw. Frequenz der Pulsfolge, kann an den jeweiligen Anwendungsfall geeignet angepasst werden. Wenn beispielsweise eine häufige und/oder rasche Änderung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit zu erwarten ist, kann die Pulsfolgefrequenz höher gewählt werden, als wenn lediglich wenige Änderungen oder nur eine geringe Verschiebung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit innerhalb einer bestimmten Zeitspanne stattfindet bzw. zu erwarten ist. Im zweiten Fall kann eine niedrige Pulsfolgefrequenz vorteilhaft sein, da aufgrund des geringeren Energieverbrauchs ein zeitlich langer, autarker, insbesondere batteriegespeister, Sensorbetrieb bereitstellbar ist.The time interval between the individual pulse-shaped excitation signals within the pulse sequence, that is to say the period duration or frequency of the pulse sequence, can be suitably adapted to the respective application. If, for example, a frequent and/or rapid change in the resonant frequency of the oscillatable unit is to be expected, the pulse repetition frequency can be selected higher than if only a few changes or only a small shift in the resonant frequency of the oscillatable unit takes place or is to be expected within a certain period of time . In the second case, a low pulse repetition frequency can be advantageous since, due to the lower energy consumption, a longer, self-sufficient, in particular battery-powered, sensor operation can be provided.

Der zeitliche Abstand zwischen den pulsförmigen Anregungssignalen der Pulsfolge kann für die gesamte Pulsfolge konstant sein und beispielsweise vorab einmalig festgelegt werden.The time interval between the pulsed excitation signals of the pulse train can for entire pulse sequence must be constant and, for example, be set once in advance.

Der zeitliche Abstand zwischen den pulsförmigen Anregungssignalen der Pulsfolge kann alternativ auch variiert werden. In anderen Worten können die Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden pulsförmigen Anregungssignalen zum Beispiel an bestimmte Betriebsbedingungen angepasst werden. So kann nach dem Detektieren der Resonanzfrequenz mittels eines ersten pulsförmigen Anregungssignals (z. B. erster Puls der Pulsfolge) beispielsweise so lange eine Anregung nur mit der gefundenen Resonanzfrequenz erfolgen, bis sich die Resonanzfrequenz feststellbar ändert. Anschließend kann das nächste pulsförmige Anregungssignal (z. B. zweiter Puls der Pulsfolge) ausgegeben werden, um die neue (veränderte) Resonanzfrequenz zu ermitteln. Anschließend wird wieder nur mit der ermittelten Resonanzfrequenz angeregt, bis festgestellt wird, dass sich diese erneut verändert hat. Dieser Vorgang kann periodisch im Rahmen der Pulsfolge wiederholt werden. In diesem Fall ist der Zeitabstand zwischen den einzelnen pulsförmigen Anregungssignalen der Pulsfolge variabel, da er von einer tatsächlich stattfindenden Änderung der Resonanzfrequenz abhängt. Hiermit lässt sich die Effizienz des Verfahrens zur Ermittlung der Resonanzfrequenz steigern, da nur dann eine (neue) Ermittlung angestoßen wird, wenn die Resonanzfrequenz nicht (mehr) bekannt ist. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das pulsförmige Anregungssignal im Zeitbereich durch eine Sine-Funktion (auch als si-Funktion oder Kardinalsinus bezeichnet) definiert bzw. beschrieben. Mittels dieser lässt sich das für die pulsförmige Anregung gewünschte Frequenzspektrum, das heißt die in diesem gewünschten Anregungsfrequenzen, gezielt festlegen. Insbesondere lässt sich ein kontinuierliches Frequenzspektrum, insbesondere ein bandbegrenztes kontinuierliches Frequenzspektrum, auf diese Weise einfach beschreiben und entsprechend erzeugen.Alternatively, the time interval between the pulsed excitation signals of the pulse sequence can also be varied. In other words, the time intervals between two consecutive pulse-shaped excitation signals can be adapted to specific operating conditions, for example. After the resonance frequency has been detected by means of a first pulsed excitation signal (e.g. first pulse of the pulse sequence), excitation can only take place with the found resonance frequency until the resonance frequency changes noticeably. The next pulse-shaped excitation signal (e.g. second pulse of the pulse sequence) can then be output in order to determine the new (changed) resonance frequency. Subsequently, only the determined resonant frequency is stimulated again until it is determined that this has changed again. This process can be repeated periodically as part of the pulse sequence. In this case, the time interval between the individual pulse-shaped excitation signals of the pulse sequence is variable, since it depends on a change in the resonant frequency that actually takes place. The efficiency of the method for determining the resonant frequency can be increased in this way, since a (new) determination is only initiated if the resonant frequency is not (or no longer) known. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the pulse-shaped excitation signal is defined or described in the time domain by a sine function (also referred to as si function or cardinal sine). By means of this, the frequency spectrum desired for the pulsed excitation, ie the excitation frequencies desired in it, can be specified in a targeted manner. In particular, a continuous frequency spectrum, in particular a band-limited continuous frequency spectrum, can be easily described in this way and correspondingly generated.

Wahlweise kann die Sine-Funktion im Zeitbereich zusätzlich mit einer Sinus-Funktion einer vorbestimmten Frequenz und vorbestimmten Amplitude multipliziert werden, um eine vorgegebene, genaue Bandbegrenzung des Frequenzspektrums des pulsförmigen Anregungssignals zu erzielen. So lässt sich das pulsförmige Anregungssignal mit denselben Frequenzanteilen erzeugen, wie sie beispielsweise bei einem herkömmlichen (linearen) Frequenzsweep zwischen einer Start- und einer Stoppfrequenz gewählt und durchlaufen werden, wobei das pulsförmige Anregungssignal gemäß der Erfindung alle Frequenzanteile jedoch gleichzeitig und überlagert aufweist. Dies besitzt den Vorteil, dass die Zeitdauer des pulsförmigen Anregungssignals bzw. des Anregungsimpulses im Vergleich zum herkömmlichen Frequenzsweep deutlich kürzer sein kann. Dadurch können sowohl die Mess- bzw. Ermittlungsrate als auch die Reaktionsgeschwindigkeit der Frequenzmessung/-ermittlung der augenblicklichen Resonanzfrequenz erhöht werden.Optionally, the sine function in the time domain can additionally be multiplied by a sine function of a predetermined frequency and predetermined amplitude in order to achieve a predetermined, precise band limitation of the frequency spectrum of the pulsed excitation signal. The pulsed excitation signal can thus be generated with the same frequency components as are selected and run through, for example, in a conventional (linear) frequency sweep between a start and a stop frequency, with the pulsed excitation signal according to the invention having all frequency components simultaneously and superimposed. This has the advantage that the duration of the pulsed excitation signal or the excitation pulse can be significantly shorter compared to the conventional frequency sweep. As a result, both the measurement or determination rate and the reaction speed of the frequency measurement/determination of the instantaneous resonance frequency can be increased.

Allgemein kann das pulsförmige Anregungssignal auch auf einem Rauschsignal, insbesondere bevorzugt einem bandbegrenzten (z. B. verstärkten) Rauschsignal, beruhen. Das heißt, das pulsförmige Anregungssignal kann aus einem (z. B. bandbegrenzten) Rauschsignal gebildet werden.In general, the pulse-shaped excitation signal can also be based on a noise signal, particularly preferably a band-limited (eg amplified) noise signal. This means that the pulsed excitation signal can be formed from a (e.g. band-limited) noise signal.

Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das pulsförmige Anregungssignal mittels direkter digitaler Synthese (auch als DDS oder „Direct Digital Synthesis“ bezeichnet) erzeugt wird. Die direkte digitale Synthese kann vorteilhaft zum Beispiel in einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt werden, so dass eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht wird. Die Erfindung ist nicht zwingend auf die Verwendung der direkten digitalen Synthese (DDS) zur Erzeugung des pulsförmigen Anregungssignals beschränkt. Andere Techniken zur Erzeugung des pulsförmigen Anregungssignals sind ebenfalls denkbar. Die direkte digitale Synthese stellt jedoch eine besonders bevorzugte Möglichkeit zur Erzeugung des pulsförmigen Anregungssignals dar, insbesondere des durch eine Sine-Funktion bestimmten pulsförmigen Anregungssignals.Yet another advantageous embodiment of the invention provides that the pulse-shaped excitation signal is generated by means of direct digital synthesis (also referred to as DDS or “direct digital synthesis”). The direct digital synthesis can advantageously be provided in an integrated circuit, for example, so that an implementation of the method according to the invention is simplified. The invention is not necessarily limited to the use of direct digital synthesis (DDS) to generate the pulsed excitation signal. Other techniques for generating the pulsed excitation signal are also conceivable. However, direct digital synthesis represents a particularly preferred option for generating the pulsed excitation signal, in particular the pulsed excitation signal determined by a sine function.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können mit dem die schwingfähige Einheit aufweisenden vibronischen Sensor ein Grenzstand oder Füllstand eines mit der schwingfähigen Einheit in Wechselwirkung tretenden flüssigen oder schüttfähigen Mediums ermittelt werden. Die Wechselwirkung zwischen dem Medium und der schwingfähigen Einheit verändert/verschiebt die ermittelbare Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit gegenüber einer Resonanzfrequenz, bei der die schwingfähige Einheit nicht in Wechselwirkung mit dem Medium steht. Wie hierin offenbart, ermöglicht die pulsförmige Anregung der schwingfähigen Einheit eine zuverlässige und genaue Bestimmung eines Füll- oder Grenzstands des Mediums, das sich in einem begrenzten Volumen befinden kann, z. B. einem Behälter, an dem der Sensor beispielsweise angebracht sein kann.According to a further preferred embodiment, a limit level or filling level of a liquid or pourable medium interacting with the oscillatable unit can be determined with the vibronic sensor having the oscillatable unit. The interaction between the medium and the oscillatable unit changes/shifts the determinable resonance frequency of the oscillatable unit compared to a resonance frequency at which the oscillatable unit is not in interaction with the medium. As disclosed herein, the pulsed excitation of the oscillatable unit enables a reliable and accurate determination of a fill level or limit level of the medium, which may be in a limited volume, e.g. B. a container to which the sensor can be attached, for example.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein vibronischer Sensor eine schwingfähige Einheit und eine Steuereinheit auf, wobei letztere ausgebildet und eingerichtet ist, zur Schwingungsanregung der schwingfähigen Einheit sowie zur Ermittlung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit anhand einer aus der Schwingungsanregung resultierenden Schwingungsreaktion der schwingfähigen Einheit ein Verfahren nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen auszuführen.According to a further aspect of the invention, a vibronic sensor has an oscillatable unit and a control unit, the latter being designed and set up to excite the oscillatable unit to oscillate and to determine the resonant frequency of the oscillatable unit using an oscillating response of the oscillating unit resulting from the oscillation excitation capable entity to perform a method according to any of the embodiments disclosed herein.

Die Steuereinheit kann beispielsweise eine elektronische Rechen- und Speichereinheit aufweisen, z. B. Mikrocontroller, Mikroprozessor, Signalprozessor und dergleichen in Verbindung mit z. B. RAM-, ROM-, Flash-Speicher und dergleichen.The control unit can, for example, have an electronic computing and storage unit, e.g. B. microcontroller, microprocessor, signal processor and the like in connection with z. B. RAM, ROM, flash memory and the like.

Es ist zu verstehen, dass bezüglich sensorbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile sensorgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückgegriffen werden kann. Entsprechend können Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise auch zur Definition des erfindungsgemäßen Sensors herangezogen werden, so dass an dieser Stelle auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet wird, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.It is to be understood that with regard to sensor-related definitions of terms and the effects and advantages of sensor-related features, reference can be made in full to the disclosure of analogous definitions, effects and advantages of the method according to the invention. Accordingly, disclosures herein regarding the method according to the invention can also be used analogously to define the sensor according to the invention, so that explanations of the same features, their effects and advantages are not repeated here in favor of a more compact description, without such omissions being considered restriction would have to be interpreted.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein hierin offenbarter vibronischer Sensor als Vibrationsgrenzstandsensor oder Vibrationsfüllstandsensor zur Erfassung eines Grenzstands bzw. Füllstands eines flüssigen oder schüttfähigen Mediums verwendet.According to yet another aspect of the invention, a vibronic sensor disclosed herein is used as a vibration limit level sensor or vibration fill level sensor for detecting a limit level or fill level of a liquid or pourable medium.

Auch hinsichtlich der Merkmale und Wirkungen der erfindungsgemäßen Verwendung soll vollumfänglich auf die im Zusammenhang mit dem hierin offenbarten Verfahren und/oder Vibrationssensor beschriebenen Merkmale und Wirkungen zurückgegriffen werden können.With regard to the features and effects of the use according to the invention, it should also be possible to make full use of the features and effects described in connection with the method and/or vibration sensor disclosed herein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines vibronischen Sensors gemäß der Erfindung,
2 eine Frequenzkurve eines bandbegrenzten, kontinuierlichen Frequenzspektrums,
3 eine Frequenzkurve eines Tiefpasses im Frequenzbereich,
4 eine Sinc-Funktionskurve zur Beschreibung des Tiefpasses aus 3 und
5 eine Sinc-Funktionskurve zur Beschreibung eines pulsförmigen Anregungssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are not to be understood as limiting, which are explained in more detail below with reference to the drawing. In this drawing show schematically:

1 a side view of an embodiment of a vibronic sensor according to the invention,
2 a frequency curve of a band-limited, continuous frequency spectrum,
3 a frequency curve of a low-pass filter in the frequency domain,
4 a sinc function curve to describe the low-pass filter 3 and
5 a sinc function curve for describing a pulse-shaped excitation signal according to an embodiment of a method according to the invention.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, parts that are equivalent in terms of their function are always provided with the same reference symbols, so that they are usually only described once.

1 stellt schematisch eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines vibronischen Sensors 1 gemäß der Erfindung dar. Der gezeigte Sensor 1 weist eine schwingfähige Einheit 2 auf, die über einen entsprechend ausgebildeten Antrieb 3 zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Vorliegend ist die schwingfähige Einheit 2 als Gabelschwinger mit wenigstens zwei sich in den freien Raum erstreckenden Schwingkörpern 4 ausgebildet, ohne jedoch zwingend auf einen derartigen Gabelschwinger beschränkt zu sein. Der Antrieb 3 ist ausgebildet, mittels eines vorgebbaren Anregungssignals, das beispielsweise ein elektrisches Anregungssignal sein kann, eine entsprechende mechanische Schwingungsanregung der schwingfähigen Einheit zu bewirken, das heißt eine dem elektrischen Anregungssignal entsprechende mechanische Schwingung, die dann als mechanisches Anregungssignal verstanden werden kann, zu erzeugen und diese auf die schwingfähige Einheit, vorliegend den Gabelschwinger 3, zu übertragen. 1 1 schematically shows a side view of an exemplary embodiment of a vibronic sensor 1 according to the invention. The sensor 1 shown has an oscillatable unit 2 which can be excited to mechanical oscillations via a correspondingly designed drive 3 . In the present case, the oscillatable unit 2 is designed as a fork oscillator with at least two oscillating bodies 4 extending into the free space, but without being necessarily limited to such a fork oscillator. The drive 3 is designed to use a predefinable excitation signal, which can be an electrical excitation signal, for example, to bring about a corresponding mechanical oscillation excitation of the oscillatable unit, i.e. to generate a mechanical oscillation corresponding to the electrical excitation signal, which can then be understood as a mechanical excitation signal and to transfer this to the oscillatable unit, in this case the fork oscillator 3 .

Weiterhin weist der in 1 gezeigte Sensor 1 eine elektronische Steuereinheit 5 auf. Diese ist vorliegend ausgebildet und eingerichtet, die Schwingungsanregung der schwingfähigen Einheit 2 mittels des Anregungssignals zu steuern und die augenblickliche Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 2 anhand einer aus der Schwingungsanregung resultierenden Schwingungsreaktion der schwingfähigen Einheit 2 zu ermitteln.Furthermore, the in 1 Sensor 1 shown has an electronic control unit 5 . In the present case, this is designed and set up to control the vibration excitation of the oscillatable unit 2 using the excitation signal and to determine the instantaneous resonant frequency of the oscillatable unit 2 using an oscillating reaction of the oscillatable unit 2 resulting from the vibration excitation.

Die Steuereinheit 5 oder eine separate elektronische Prozessoreinheit (nicht dargestellt) kann das Anregungssignal erzeugen. Besonders bevorzugt wird das Anregungssignal mittels direkter digitaler Synthese (DDS) erzeugt, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.The control unit 5 or a separate electronic processor unit (not shown) can generate the excitation signal. The excitation signal is particularly preferably generated by means of direct digital synthesis (DDS), but without being necessarily restricted to this.

Jedenfalls wird die schwingfähige Einheit 2 bei dem in 1 gezeigten Vibrationssensor 1 mit einem pulsförmigen Anregungssignal angeregt, das ein mehrere Frequenzen umfassendes Frequenzspektrum aufweist. 4 stellt beispielhaft ein solches pulsförmiges Anregungssignal im Zeitbereich dar.In any case, the oscillatable unit 2 at the in 1 Vibration sensor 1 shown excited with a pulsed excitation signal having a frequency spectrum comprising a plurality of frequencies. 4 shows an example of such a pulsed excitation signal in the time domain.

Nachfolgend wird ein Beispiel eines erfindungsgemäßen, pulsförmigen Anregungssignals mit Bezug auf die 2 bis 5 näher erläutert. Dieses kann vorteilhaft von dem in 1 gezeigten Vibrationssensor 1 zur Schwingungsanregung der schwingfähigen Einheit 2 verwendet werden, so dass der Sensor 1 beispielsweise als Vibrationsgrenzstandsensor oder Vibrationsfüllstandsensor zur Erfassung eines Grenzstands oder Füllstands eines flüssigen oder schüttfähigen Mediums in einem begrenzten Volumen verwendet werden kann.Below is an example of a pulsed excitation signal according to the invention with reference to the 2 until 5 explained in more detail. This can be beneficial from the in 1 Vibration sensor 1 shown can be used to excite the oscillatable unit 2 to oscillate, so that the sensor 1 can be used, for example, as a vibration limit level sensor or vibration fill level sensor can be used to detect a limit level or filling level of a liquid or pourable medium in a limited volume.

2 stellt beispielhaft eine Frequenzkurve eines bandbegrenzten, kontinuierlichen Frequenzspektrums 10 dar. Dieses entspricht im Wesentlichen einem Frequenzspektrum eines herkömmlichen linearen Frequenzsweeps von einer Startfrequenz 11 bis zu einer Stoppfrequenz 12. Mit anderen Worten kommen in dem in 2 dargestellten kontinuierlichen Frequenzspektrum 10 alle Frequenzen zwischen der Startfrequenz 11 und der Stoppfrequenz 12 vor. Zusätzlich kommen alle Frequenzanteile bei dem gezeigten Frequenzspektrum 10 mit gleicher Amplitude vor. 2 shows an example of a frequency curve of a band-limited, continuous frequency spectrum 10. This essentially corresponds to a frequency spectrum of a conventional linear frequency sweep from a start frequency 11 to a stop frequency 12. In other words, in the in 2 illustrated continuous frequency spectrum 10 before all frequencies between the start frequency 11 and the stop frequency 12. In addition, all frequency components in the frequency spectrum 10 shown occur with the same amplitude.

Anders als bei dem herkömmlichen Frequenzsweep, bei dem alle Frequenzen des Frequenzspektrums 10 nacheinander generiert werden, wobei die schwingfähige Einheit nacheinander mit allen erzeugten Frequenzen angeregt wird, enthält das pulsförmige Anregungssignal gemäß der Erfindung alle Frequenzen des in 2 gezeigten Frequenzspektrums 10 gleichzeitig und überlagert, so dass die Schwingungsanregung der schwingfähigen Einheit 2 des vibronischen Sensors 1 mit dem pulsförmigen Anregungssignal in wesentlich kürzer Zeit durchgeführt werden kann im Vergleich zum herkömmlichen Frequenzsweep.In contrast to the conventional frequency sweep, in which all frequencies of the frequency spectrum 10 are generated one after the other, with the oscillatable unit being excited in succession with all generated frequencies, the pulse-shaped excitation signal according to the invention contains all frequencies of the in 2 Frequency spectrum 10 shown simultaneously and superimposed, so that the oscillation excitation of the oscillatable unit 2 of the vibronic sensor 1 with the pulsed excitation signal can be carried out in a much shorter time compared to the conventional frequency sweep.

Vereinfacht kann das bandbegrenzte Frequenzspektrum 10 aus 2 als verschobene Rechteckfunktion angesehen werden. 3 zeigt eine Rechteckfunktion 13 im Frequenzbereich. Die Rechteckfunktion 13 in 3 stellt eine Frequenzkurve eines idealen Tiefpasses dar, wobei der gekennzeichnete Punkt 14 der Frequenzachse 0 Hz entspricht und der Punkt 15 der Grenzfrequenz T des Tiefpasses.Simplified, the band-limited frequency spectrum can be 10 from 2 be viewed as a shifted rectangular function. 3 shows a square wave function 13 in the frequency domain. The rectangle function 13 in 3 represents a frequency curve of an ideal low-pass filter, the marked point 14 corresponding to the frequency axis 0 Hz and the point 15 to the cut-off frequency T of the low-pass filter.

Die Überführung dieses idealen Tiefpasses in den Zeitbereich mittels inverser Fouriertransformation ergibt eine Sine-Funktion 16 im Zeitbereich, wie sie beispielhaft in 4 gezeigt ist.The conversion of this ideal low-pass filter into the time domain by means of inverse Fourier transformation results in a sine function 16 in the time domain, as is shown, for example, in 4 is shown.

Mit anderen Worten: $r e c t_{T} (f) = {\begin{matrix} 1 f \ddot{u} r | f | \leq \frac{T}{2} \\ 0 f \ddot{u} r | f | > \frac{T}{2} \end{matrix} \cdot ⊸ s i n c (t T)$

In other words:

right e c t_{T} (f) = {\begin{matrix} 1 f \ddot{and} right | f | \leq \frac{T}{2} \\ 0 f \ddot{and} right | f | > \frac{T}{2} \end{matrix} \cdot ⊸ s i n c (t T)

Die Transformation des Tiefpasses 13 im Frequenzbereich in 3 in einen Bandpass, wie er in 2 gezeigt ist, wird durch Verschieben hin zu höheren Frequenzen erreicht. Diese Modulation wird mit einer Multiplikation im Zeitbereich durchgeführt. Die Sine-Funktion 16 aus 4 wird hierzu mit einer Sinus-Funktion (nicht dargestellt) konstanter Frequenz und Amplitude multipliziert. Das Ergebnis dieser Multiplikation ist in 5 als Sinc-Funktionskurve 16' im Zeitbereich dargestellt. Dieses pulsförmige Signal 16' weist das in 2 gezeigte Frequenzspektrum 10 auf und besitzt damit dieselben Frequenzanteile wie ein herkömmlicher Frequenzsweep mit dem Frequenzspektrum 10. Alle Frequenzanteile sind in dem pulsförmigen Signal 16' jedoch gleichzeitig und überlagert enthalten.The transformation of the low-pass filter 13 in the frequency range in 3 into a bandpass as it is in 2 shown is achieved by shifting to higher frequencies. This modulation is performed with a multiplication in the time domain. The sine function 16 off 4 is multiplied by a sine function (not shown) of constant frequency and amplitude. The result of this multiplication is in 5 shown as a sinc function curve 16' in the time domain. This pulse-shaped signal 16' has the in 2 The frequency spectrum 10 shown has the same frequency components as a conventional frequency sweep with the frequency spectrum 10. However, all frequency components are contained in the pulsed signal 16' simultaneously and superimposed.

Die in 5 beispielhaft dargestellte Sinc-Funktionskurve 16' entspricht einer möglichen Ausbildung des pulsförmigen Anregungssignals gemäß der Erfindung, mit dem die schwingfähige Einheit 2 des vibronischen Sensors 1 angeregt werden kann. Die Zeitdauer des pulsförmigen Anregungssignals 16' ist zeitlich deutlich kürzer im Vergleich zum herkömmlichen Frequenzsweep. Dadurch können sowohl die Mess-/Ermittlungsrate der augenblicklichen Resonanzfrequenz des Vibrationssensors 1 als auch die Reaktionsgeschwindigkeit der schwingfähigen Einheit 2 des Sensors 1 erhöht werden.In the 5 Sinc function curve 16' shown as an example corresponds to a possible embodiment of the pulse-shaped excitation signal according to the invention, with which the oscillatable unit 2 of the vibronic sensor 1 can be excited. The duration of the pulsed excitation signal 16' is significantly shorter in terms of time in comparison to the conventional frequency sweep. As a result, both the measurement/determination rate of the instantaneous resonant frequency of the vibration sensor 1 and the reaction speed of the oscillatable unit 2 of the sensor 1 can be increased.

Für die Verwendung des vibronischen Sensors 1 beispielsweise als Vibrationsgrenzstandsensor oder Vibrationsfüllstandsensor kann die schwingfähige Einheit 2 periodisch mit dem in 5 gezeigten, beispielhaften pulsförmigen Anregungssignal 16' nach Art einer Pulsfolge angeregt werden. Derart lässt sich im Wesentlichen kontinuierlich oder intermittierend der Grenzstand oder Füllstand des mit der schwingfähigen Einheit 2 augenblicklich in Wechselwirkung tretenden flüssigen oder schüttfähigen Mediums zuverlässig und genau ermitteln. Die Pulsfolge kann hierbei mit einer festen Frequenz erzeugt und ausgegeben werden. Die zeitlichen Abstände der einzelnen pulsförmigen Anregungssignale der Pulsfolge können alternativ auch (z. B. abhängig von dem tatsächlichen Kenntnisstand der aktuellen Resonanzfrequenz und/oder weiteren Betriebsbedingungen) variiert werden, wie bereits im allgemeinen Teil dieser Beschreibung erläutert wurde.For the use of the vibronic sensor 1, for example as a vibration level sensor or vibration level sensor, the oscillatable unit 2 can be periodically connected to the 5 shown, exemplary pulse-shaped excitation signal 16 'are excited in the manner of a pulse train. In this way, the limit level or fill level of the liquid or pourable medium currently interacting with the oscillatable unit 2 can be reliably and precisely determined essentially continuously or intermittently. The pulse sequence can be generated and output with a fixed frequency. The time intervals between the individual pulsed excitation signals of the pulse sequence can alternatively also be varied (e.g. depending on the actual state of knowledge of the current resonance frequency and/or other operating conditions), as already explained in the general part of this description.

Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Resonanzfrequenz eines vibronischen Sensors, der erfindungsgemäße Vibrationssensor sowie die erfindungsgemäße Verwendung des Vibrationssensors sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The method disclosed herein for determining the resonant frequency of a vibronic sensor, the vibration sensor according to the invention and the use of the vibration sensor according to the invention are not limited to the specific embodiments described in each case, but also include other embodiments that have the same effect and result from technically meaningful further combinations of the described features of all objects of the invention result. In particular, the features and feature combinations mentioned above in the general description and the description of the figures and/or shown alone in the figures are not only in the combinations explicitly stated herein, but also in other com combinations or used alone without departing from the scope of the present invention.

BezugszeichenlisteReference List

11: Vibrationssensorvibration sensor
22: Schwingfähige EinheitVibrating unit
33: Antriebdrive
44: Schwingkörperoscillating body
55: Steuereinheitcontrol unit
1010: Bandbegrenztes, kontinuierliches FrequenzspektrumBand-limited, continuous frequency spectrum
1111: Startfrequenzstarting frequency
1212: Stoppfrequenzstop frequency
1313: Rechteckfunktionrectangle function
1414: f = 0 Hzf = 0 Hz
1515: f = Grenzfrequenz Tf = cutoff frequency T
1616: Sinc-FunktionskurveSinc function curve
16'16': Sinc-Funktionskurve Sinc function curve
ff: Frequenzfrequency
tt: ZeitTime
Uu: El. SpannungEl. Tension

Claims

Method for determining the resonant frequency of a vibronic sensor (1) which has an oscillatable unit (2), the oscillatable unit (2) of the sensor (1) being excited to oscillate with an excitation signal (16, 16') and from an oscillating reaction the resonant frequency of the oscillatable unit (2) is determined, characterized in that the oscillatable unit (2) is excited with a pulsed excitation signal (16, 16') which has a frequency spectrum (10, 13) comprising a number of frequencies.

procedure according to claim 1 , characterized in that the frequency spectrum (10, 13) is continuous or at least partially continuous.

procedure according to claim 1 or 2 , characterized in that the frequency spectrum (10) is band-limited.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillatable unit (2) is periodically excited with the pulsed excitation signal (16, 16') in the manner of a pulse train.

Method according to the preceding claim, characterized in that a time interval between two successive pulse-shaped excitation signals (16, 16') of the pulse train is varied.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pulsed excitation signal (16, 16') is defined in the time domain by a sinc function.

Method according to the preceding claim, characterized in that the sine function (16, 16') in the time domain is multiplied by a sine function of a predetermined frequency and predetermined amplitude.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pulsed excitation signal (16, 16') is generated by means of direct digital synthesis.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a limit level or fill level of a liquid or pourable medium interacting with the oscillatable unit (2) is determined with the vibronic sensor (1).

Vibronic sensor (1), having an oscillatable unit (2) and a control unit (5), which is designed and set up both for excitation of vibration of the oscillatable unit (2) and for determining the resonant frequency of the oscillatable unit (2) based on a the vibrational excitation resulting vibrational reaction of the oscillatable unit (2) to carry out a method according to one of the preceding claims.

Use of a vibronic sensor (1) according to the preceding claim as a vibration limit level sensor or vibration fill level sensor for detecting a limit level or fill level of a liquid or pourable medium.