DE20122541U1

DE20122541U1 - Medium viscosity determination and monitoring arrangement has stimulation and reception unit, which excites vibrating unit and receives vibrations of vibrating unit for viscosity determination

Info

Publication number: DE20122541U1
Application number: DE20122541U
Authority: DE
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2011-08-31

Abstract

The arrangement has a vibrating unit (2), which is arranged in a defined measurement position within a container. The stimulation and reception unit (4,5,6) excites the vibrating unit and receives the vibrations of the vibrating unit. The control and evaluation unit (8) determines the viscosity of the medium using the frequency-phase-curve of the vibrating unit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, einer Antriebs-/Empfangseinheit und einer Regel-/Auswerteeinheit, wobei die schwingfähige Einheit in einer definierten Meßposition innerhalb des Behälters angeordnet ist bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht ist, daß sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, und wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt bzw. wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt.The The invention relates to a device for determination and / or monitoring the viscosity a medium in a container with a swingable Unit, a drive / receiving unit and a control / evaluation unit, where the oscillatory Unit in a defined measuring position inside the container is arranged or wherein an oscillatable unit mounted so is that she is up immersed in the medium to a defined immersion depth, and wherein the drive / receiving unit oscillates the oscillatable unit stimulates or wherein the drive / receiving unit, the vibrations the oscillatory one Unit receives.

Es sind bereits Vorrichtungen mit zumindest einem Schwingelement, sog. Vibrationsdetektoren, zur Detektion bzw. zur Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter bekannt geworden. Bei dem Schwingelement handelt es sich üblicherweise um zumindest einen Schwingstab, der an einer Membran befestigt ist. Die Membran wird über einen elektromecha-nischen Wandler, z. B. ein piezo-elektrisches Element, zu Schwingungen angeregt. Aufgrund der Schwingungen der Membran führt auch das an der Membran befestigte Schwingelement Schwingungen aus. Als sehr bekanntes Beispiel für einen Vibrationsdetektor sei an dieser Stelle der 'Liquiphant' genannt, der von der Anmelderin hergestellt und vertrieben wird.It are already devices with at least one vibrating element, so-called. Vibration detectors, for detecting or monitoring the level of a Medium in a container known. The vibrating element is usually around at least one vibrating rod which is attached to a membrane. The membrane is over an electromechanical transducer, z. B. a piezoelectric Element, excited to vibrate. Due to the vibrations of the Membrane leads also attached to the diaphragm vibrating element vibrations. As a very well known example of one Vibration detector is called at this point the 'Liquiphant', manufactured by the applicant and is distributed.

Als Füllstandsmeßgeräte ausgebildete Vibrationsdetektoren nutzen den Effekt aus, daß die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des Schwingelements: Während das Schwingelement in Luft frei und ungedämpft seine (Resonanz-) Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplituden-änderung, also eine Verstimmung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung (üblicherweise wird zur Füllstandserkennung die Frequenz gemessen) läßt sich folglich ein eindeutiger Rückschluß auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter ziehen. Füllstandsmeßgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüllsicherungen oder zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes verwendet.When Level measuring trained Vibration detectors exploit the effect that the vibration frequency and the oscillation amplitude dependent are of the respective degree of coverage of the vibrating element: While the Oscillating element in air free and unattenuated its (resonant) vibrations To run can, learn there is a change in frequency and amplitude, ie detuning, as soon as it is partial or complete immersed in the medium. Based on a predetermined frequency change (usually becomes for level detection the frequency measured) can be consequently a clear inference to the Reaching the predetermined level of the medium in the container pull. By the way, level gauges become predominantly as overfill protection or used for pump idle protection.

Darüber hinaus wird die Dämpfung der Schwingung des Schwingelements auch von der Dichte des Mediums beeinflußt. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zwischen der Frequenzänderung und der Dichte des Mediums, so daß Vibrationsdetektoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung bestens geeignet sind.Furthermore is the damping the vibration of the vibrating element and the density of the medium affected. Therefore, with constant coverage, there is a functional relationship between the frequency change and the density of the medium so that vibration detectors for both the level and as well as for the density determination are best suited.

In der Praxis werden zwecks Überwachung und Erkennung des Füllstandes bzw. der Dichte des Mediums in dem Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und mittels zumindest eines piezoelektrischen Elements in elektrische Antwortsignale umgewandelt. Die elektrischen Antwortsignale werden anschließend von einer Auswerte-Elektronik ausgewertet. Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht die Auswerte-Elektronik die Schwingungs-frequenz und/oder die Schwingungsamplitude des Schwingelements und signalisiert den Zustand 'Sensor bedeckt' bzw. 'Sensor unbedeckt', sobald die Meßwerte einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvor-gang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.In The practice will be for monitoring and Detection of the level or the density of the medium in the container, the vibrations of the membrane recorded and by means of at least one piezoelectric element converted into electrical response signals. The electrical response signals are subsequently evaluated by an evaluation electronics. Monitored in the case of level determination the evaluation electronics the oscillation frequency and / or the oscillation amplitude of the oscillating element and signals the status' sensor covered 'or' sensor uncovered ', as soon as the measured values have a below or above the specified reference value. A corresponding Message to the operator can be on visual and / or audible Done way. Alternatively or additionally, a switching operation triggered; for example, an inlet or outlet valve is opened on the container or closed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsdetektor für die Bestimmung und/oder die Überwachung der Viskosität eines Mediums in einem Behälter einzusetzen.Of the Invention is based on the object, a vibration detector for the determination and / or monitoring the viscosity a medium in a container use.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Frequenz-Phase-Kurve der schwingfähigen Einheit die Viskosität des Mediums bestimmt. Die vorliegende Erfindung basiert darauf, daß die Dämpfung einer schwingfähigen Einheit abhängig ist von der Viskosität des Mediums, mit dem sie in Kontakt ist. Unter Viskosität versteht man bekanntlich die innere Reibung einer Flüssigkeit, welche durch Anziehungskräfte zwischen den Molekülen verursacht wird. Die Viskosität ist in hohem Maße abhängig von den Parametern Druck und Temperatur. Die Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit, die in Medien mit unterschiedlichen Viskositäten aufgenommen worden sind, unterscheiden sich deutlich voneinander – wie anhand der in 1 dargestellten Graphen klar zu erkennen ist: Je geringer die Viskosität des Mediums ist, um so steiler fällt die Frequenz-Phase-Kurve ab. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Viskosität des Mediums anhand der Frequenzänderung, die bei zwei unterschiedlichen Phasenwerten auftritt, zu bestimmen. Es wird also bevorzugt keine Absolutmessung, sondern eine Relativmessung durchgeführt. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, werden hierzu entweder zwei Phasen-werte eingestellt und die zugehörige Frequenzänderung bestimmt, oder es wird ein vorgegebenen Frequenzband durchfahren und festgestellt, wenn zumindest zwei vorgegebene Phasenwerte erreicht werden. Anhand der zu den Phasenwerten korrespondierenden Frequenzen wird wiederum die Frequenzänderung und hieraus die Viskosität des Mediums bestimmt.The object is achieved in that the control / evaluation unit determines the viscosity of the medium on the basis of the frequency-phase curve of the oscillatory unit. The present invention is based on the fact that the damping of a vibratory unit is dependent on the viscosity of the medium with which it is in contact. Viscosity is known to mean the internal friction of a liquid caused by attractive forces between the molecules. The viscosity is highly dependent on the parameters of pressure and temperature. The frequency-phase curves of a vibratory unit, which have been recorded in media of different viscosities, differ significantly from each other - as based on the in 1 The lower the viscosity of the medium, the steeper the frequency-phase curve. It has proved to be particularly advantageous to determine the viscosity of the medium on the basis of the frequency change which occurs at two different phase values. It is therefore preferred that no absolute measurement, but a relative measurement is performed. As will be explained in more detail below, either two phase values are set for this purpose and the associated frequency change is determined, or a predetermined frequency band is passed through and detected when at least two predetermined phase values are reached. On the basis of the frequencies corresponding to the phase values, in turn, the frequency change and hence the viscosity of the medium is determined.

In 2 ist die Viskosität gegen die Frequenzänderung bei unterschiedlichen Phasenverschiebungen aufgetragen. Gewählt wurde ein logarithmischer Maßstab. Die Kurven fassen sich durch die folgende mathematische Formel beschreiben: log η = a · log Δ f + b, wobei a für alle Kurven nahezu gleich ist, während sich die Kurven im wesentlichen in der Konstanten b unterscheiden. Folglich spiegeln sich unterschiedliche Phasenverschiebungen in einer Parallelverschiebung der Frequenzdifferenz-Viskositätskurve entlang der Frequenzdifferenz-Achse wider. Der Vorteil der Messung der Frequenz-änderung anstelle der absoluten Frequenzmessung liegt in einer erhöhten Meßgenauigkeit und – wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird – im automatischen Eliminieren von Störgrößen, beispielsweise der Dichte. Die Frequenzänderung bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zeigt eine eindeutige Abhängigkeit von der Viskosität. Folglich ist es möglich, die Viskosität zu bestimmen, indem die Frequenzdifferenz bei zumindest zwei vorgegebenen Phasenwerten bestimmt wird.In 2 the viscosity is plotted against the frequency change at different phase shifts. Chosen was a loga rithmic scale. The curves can be described by the following mathematical formula: log η = a · log Δf + b, where a is nearly the same for all curves, while the curves essentially differ in the constant b. Consequently, different phase shifts are reflected in a parallel shift of the frequency difference viscosity curve along the frequency difference axis. The advantage of measuring the frequency change instead of the absolute frequency measurement is an increased measurement accuracy and - as will be described in detail below - in the automatic elimination of disturbances, such as density. The frequency change at a given phase shift shows a clear dependence on the viscosity. Consequently, it is possible to determine the viscosity by determining the frequency difference at at least two predetermined phase values.

Der Einfluß der Dichte ist anhand der in 3 dargestellten Frequenz-Phase-Kurvenschar einer schwingfähigen Einheit in Medien mit unterschiedlichen Dichten visualisiert: Unterschiedliche Dichten führen zu einer Parallelver-schiebung der Frequenz-Phase-Kurve entlang der Frequenzachse. Je höher die Dichte ist, um so niedriger ist die Schwingfrequenz bei gleichem Phasenwert. Die Form der Kurven selbst ist in allen Fällen nahezu identisch. Da erfindungsgemäß keine Absolutwerte, sondern Relativwerte gemessen werden, wird der Effekt, den eine sich ändernde Dichte auf die Messungen hat, automatisch eliminiert.The influence of the density is based on the in 3 illustrated frequency-phase curves of a vibratory unit in media with different densities visualized: Different densities lead to a parallel shift of the frequency-phase curve along the frequency axis. The higher the density, the lower the oscillation frequency for the same phase value. The shape of the curves themselves is almost identical in all cases. Since, according to the invention, absolute values are measured instead of absolute values, the effect which a changing density has on the measurements is automatically eliminated.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird als Antriebs-/Empfangseinheit ein Piezo-Antrieb eingesetzt. Piezoan-triebe, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, sind z.B. aus der EP 0 985 916 A1 bekannt geworden.According to a preferred embodiment of the device according to the invention, a piezo drive is used as the drive / receiving unit. Piezoan gear, which can be used in connection with the present invention are, for example, from EP 0 985 916 A1 known.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Antriebseinheit die schwingfähige Einheit in einem vorgegebenen Schwingungsmode zu Schwingungen anregt, wobei es sich bei dem Schwingungsmode bevorzugt um den Grundmode der schwingfähigen Einheit handelt.According to one advantageous development of the device according to the invention is provided that the Drive unit the oscillatory Unit in a given vibration mode to vibrate, wherein the vibration mode is preferably the fundamental mode the oscillatory one Unit acts.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß der Regel-/Auswerteeinheit eine Speichereinheit zugeordnet ist, in der Daten abgelegt sind, die die funktionale Beziehung zwischen der Frequenz und der Phase der Schwingungen der schwingfähigen Einheit bei unterschiedlichen Dämpfungsverhältnissen bzw. bei unterschiedlichen Viskositäten widerspiegeln. Bei den Daten kann es sich um Kennlinien, Formeln oder Meßwerte handeln.A preferred embodiment of the device according to the invention proposes that the Control / evaluation unit is assigned a memory unit, in the Data is stored that indicates the functional relationship between the Frequency and phase of oscillations of the oscillatory unit at different damping ratios or reflect at different viscosities. Both Data can be characteristics, formulas or measured values.

Bevorzugt stellt die Regel-/Auswerteeinheit zumindest zwei voneinander hinreichend verschiedene Phasenwerte ein; nachfolgend bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit die den Phasenwerten zugeordneten Frequenzen bzw. die entsprechende Frequenzänderung der Schwingungen der schwingfähigen Einheit und ermittelt durch Vergleich der zuvor festgestellten Frequenz-änderung und der abgespeicherten Daten die Viskosität des Mediums.Prefers represents the control / evaluation at least two of each other sufficiently different phase values; subsequently determines the control / evaluation unit the frequencies assigned to the phase values or the corresponding frequency change the vibrations of the oscillatory unit and determined by comparing the previously determined frequency change and the stored data, the viscosity of the medium.

Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen die zumindest zwei Phasenwerte symmetrisch zu dem Phasenwert φ = 90°.According to one especially favorable Embodiment of the device according to the invention the at least two phase values are symmetrical to the phase value φ = 90 °.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Regel-/Auswerteeinheit den Bereich, in dem die Frequenzen liegen, die zur Bestimmung der Viskosität herangezogen werden, so auswählt, daß die funktionale Beziehung zwischen den Phasenwerten und den Frequenzen im wesentlichen linear ist.A advantageous embodiment the device according to the invention provides that the Control / evaluation unit the area in which the frequencies lie, used to determine the viscosity be chosen so that the functional relationship between the phase values and the frequencies is substantially linear.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Regel-/Auswerteeinheit zumindest zwei voneinander verschiedene Frequenzen ein; die den Frequenzen der Schwingungen der schwingfähigen Einheit zugeordneten Phasen zwischen Sende- und Antwortsignal werden anschließend ermittelt; in einem letzten Schritt bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit durch Vergleich der ermittelten Phasenwerte und der abgespeicherten Phasenwerte die Viskosität des Mediums.According to one alternative embodiment of the Device according to the invention represents the control / evaluation at least two different Frequencies on; the frequencies of the oscillations of the oscillatory unit associated phases between transmit and response signals are subsequently determined; in a final step, the control / evaluation unit determines by comparison the determined phase values and the stored phase values the viscosity of the medium.

Gemäß einer bevorzugten Variante der zuletzt genannten Alternative der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist der Regel-/Auswerteeinheit ein Signalgenerator zugeordnet, der die Antriebseinheit so ansteuert, daß die schwingfähige Einheit sukzessive mit unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen schwingt, wobei die Schwingungsfrequenzen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbandes liegen (→ frequency sweep).According to one preferred variant of the latter alternative of the device according to the invention, the control / evaluation unit is associated with a signal generator, the the drive unit controls so that the oscillatory unit successively vibrates with different vibration frequencies, wherein the vibration frequencies within a selected frequency band lie (→ frequency sweep).

Weiterhin erlaubt es eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die schwingfähige Einheit als Universaldetektor auszubilden: So betreibt die Regel-/Auswerteeinheit die schwingfähige Einheit in einem ersten Betriebsmodus als Grenzschalter und in einem zweiten Betriebsmodus als Viskositätssensor. Der jeweilige Betriebsmodus wird von einem in der Regel-/Auswerteeinheit enthaltenen Programm vorgegeben.Farther allows a development of the device according to the invention, the oscillatory unit To train as a universal detector: This is how the control / evaluation unit operates the oscillatory unit in a first mode of operation as a limit switch and in a second Operating mode as viscosity sensor. The respective operating mode is from a in the control / evaluation unit specified program.

Bevorzugt ist eine Eingabe-/Ausgabeeinheit vorgesehen, über die Einstellungen an der Vorrichtung vorgenommen werden oder über die Information hinsichtlich der Meßwerte, die die Vorrichtung liefert, bereitgestellt wird. Zwecks Datenaustausch zwischen der schwingfähigen Einheit und einer entfernt angeordneten Kontrollstelle ist zumindest eine Busleitung vorge-sehen. Der Datenaustausch selbst kann mittels eines beliebigen Über-tragungsstandards erfolgen, z. B. Profibus PA, Fieldbus Foundation.Preferably, an input / output unit is provided via which adjustments are made to the device or provided via the information concerning the measured values which the device supplies. For data exchange zwi rule of the oscillatory unit and a remote control point is at least one bus line pre-see. The data exchange itself can be done by means of any transmission standard, e.g. B. Profibus PA, Fieldbus Foundation.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:

1: eine schematische Darstellung der Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit bei unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten, 1 FIG. 2: a schematic representation of the frequency-phase curves of an oscillatable unit with different damping coefficients, FIG.

2: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Viskosität von der Frequenzänderung graphisch wiedergibt, 2 : a graph plotting the dependence of the viscosity on the frequency change,

3: ein Diagramm, das die Frequenz-Phase-Kurven bei unterschiedlichen Dichten des Mediums darstellt, 3 : a diagram representing the frequency-phase curves at different densities of the medium,

4: ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 4 FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the device according to the invention, FIG.

5: ein Blockschaltbild der in 4 verwendeten Erregerschaltung, 5 : a block diagram of in 4 used exciter circuit,

6: eine graphische Darstellung einer Frequenz-Phase-Kurve mit Visualisierung φ eines 'frequency sweep' in zwei vorgegebenen Frequenzbändern und 6 : A graphical representation of a frequency-phase curve with visualization φ of a 'frequency sweep' in two predetermined frequency bands and

7: eine Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 7 : a block diagram of a second embodiment of the device according to the invention.

1 zeigt die Darstellung von drei Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit 2 in Medien mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten ξ. Der Wendepunkt der drei Kurven liegt bei der Resonanzfrequenz fr, die im wesentlichen durch die Steifigkeit der Membran und die Masse des Schwing-elements bestimmt ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, beträgt die Phase φ zwischen Antriebssignal und Antwortsignal der schwingfähigen Einheit 2 im Resonanzfall 90°. Im Falle einer geringen Dämpfung (Dämpfungskoeffizient ξ1) führen bereits geringfügige Frequenzänderungen df zu einem Phasen-sprung von 180° – die Phasenänderung erfolgt abrupt. Bei größeren Dämpfungskoeffizienten ξ2, ξ3 erfolgt der Phasenänderung von 0° auf 180° mehr oder weniger fließend. Innerhalb eines gewissen Frequenz- bzw. Phasenbereichs zeigen die Frequenz-Phase-Kurven einen linearen Verlauf, wobei die Steigung abhängig ist von der Dämpfung durch das Medium. 1 shows the representation of three frequency-phase curves of a vibratory unit 2 in media with different damping coefficients ξ. The inflection point of the three curves is at the resonance frequency fr, which is essentially determined by the rigidity of the diaphragm and the mass of the oscillating element. How out 1 is apparent, the phase φ between the drive signal and the response signal of the oscillatory unit 2 in the case of resonance 90 °. In the case of low attenuation (attenuation coefficient ξ1) even slight frequency changes df lead to a phase jump of 180 ° - the phase change occurs abruptly. For larger attenuation coefficients ξ2, ξ3, the phase change from 0 ° to 180 ° is more or less fluent. Within a certain frequency or phase range, the frequency-phase curves show a linear course, wherein the slope is dependent on the attenuation by the medium.

In 2 ist schematisch die Abhängigkeit der Viskosität η von der Frequenz-differenz df zwischen Antriebssignal und Antwortsignal in einem logarith-mischen Maßstab wiedergegeben. Die Kurvenschar stellt die Graphen bei unterschiedlichen Phasenverschiebungen df(φn – φm) mit n, m ∊ N, n ≠ m dar. Die Frequenzänderung df bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung df(φn – φm) zeigt eine eindeutige Abhängigkeit von der Viskosität η. Folglich ist es möglich, die Viskosität η zu bestimmen, indem gemäß einer ersten alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die Frequenzdifferenz df bei zumindest zwei vorgegebenen Phasenwerten φ1, φ2 gemessen wird.In 2 schematically shows the dependence of the viscosity η on the frequency difference df between the drive signal and the response signal in a logarithmic scale. The family of curves represents the graphs at different phase shifts df (φn-φm) with n, m ∈ N, n ≠ m. The frequency change df at a given phase shift df (φn-φm) shows a clear dependence on the viscosity η. Consequently, it is possible to determine the viscosity η by, according to a first alternative embodiment of the device according to the invention 1 the frequency difference df is measured at at least two predetermined phase values φ1, φ2.

Der Einfluß der Dichte ρ ist anhand der in 3 dargestellten die Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit 2 in Medien mit unterschiedlichen Dichten ρ visualisiert: Unterschiedliche Dichten ρ führen zu einer Parallelverschiebung der Frequenz-Phase-Kurve entlang der Frequenzachse f. Je höher die Dichte ρ ist, um so niedriger ist die Schwingfrequenz bei gleichem Phasenwert φ. Die Form der Kurven selbst ist in allen Fällen nahezu identisch. Da erfindungsgemäß keine Absolutwerte, sondern bevorzugt Relativwerte (Frequenzänderungen bzw. Phasenänderungen) für die Auswertung der Viskosität η herangezogen werden, wird der Effekt, den eine sich ändernde Dichte ρ auf die Meßwerte hat, automatisch eliminiert.The influence of the density ρ is based on the in 3 illustrated the frequency-phase curves of a vibratory unit 2 visualized in media with different densities ρ: Different densities ρ lead to a parallel shift of the frequency-phase curve along the frequency axis f. The higher the density ρ, the lower the oscillation frequency for the same phase value φ. The shape of the curves themselves is almost identical in all cases. Since according to the invention no absolute values, but preferably relative values (frequency changes or phase changes) are used for the evaluation of the viscosity η, the effect that a changing density ρ has on the measured values is automatically eliminated.

In 4 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungs-gemäßen Vorrichtung 1 zu sehen. Gemäß dieser ersten Ausgestaltung werden sukzessive zwei vorgegebene Phasen φ1, φ2 zwischen dem Antriebs-signal und dem Antwortsignal eingestellt. Die Einstellung der beiden Phasenwerte φ1, φ2 erfolgt über die Erregerschaltung 9, die nachfolgend noch im Detail beschrieben wird. Anschließend werden die mit den Phasenwerten φ1, φ2 ver-knüpften Frequenzwerte f1, f2 bestimmt. Anhand der Frequenzänderung df = f2 – f1 wird nachfolgend die Viskosität η des Mediums unter Heranziehung von abgespeicherten Daten ermittelt.In 4 is a block diagram of a first embodiment of the inventive device 1 to see. According to this first embodiment, two predetermined phases φ1, φ2 between the drive signal and the response signal are successively set. The adjustment of the two phase values φ1, φ2 takes place via the excitation circuit 9 , which will be described in detail below. Subsequently, the frequency values f1, f2 associated with the phase values φ1, φ2 are determined. Based on the frequency change df = f2-f1, the viscosity η of the medium is subsequently determined using stored data.

Diese erste Methode zur Viskositätsbestimmung hat viel Ähnlichkeit mit der Methode, wie mittels eines Vibrationsdetektors das Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes festgestellt werden kann. Der einzige Unterschied besteht im Grunde genommen darin, daß bei der Füllstandsmessung lediglich die Phase der Eigenfrequenz bzw. der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 2 berücksichtigt wird, während bei der Viskositätsmessung zumindest zwei Phasenwerte φ1, φ2 und die entsprechenden Frequenzen f1, f2, bzw. die entsprechende Frequenzänderung df = f1 – f2 der schwingfähigen Einheit 2 betrachtet werden.This first method of determining viscosity bears much resemblance to the method of determining, by means of a vibration detector, the achievement of a predetermined fill level. The only difference is basically that in the level measurement only the phase of the natural frequency or the resonant frequency of the oscillatory unit 2 is taken into account, while in the viscosity measurement at least two phase values φ1, φ2 and the corresponding frequencies f1, f2, and the corresponding frequency change df = f1 - f2 the oscillatory unit 2 to be viewed as.

Aufgrund dieses hohen Ähnlichkeitsgrades ist es auch relativ einfach möglich, eine schwingfähige Einheit 2 als Universalsensor für die Füllstands-, Dichte- und/oder Viskositätsmessung auszubilden. Der Füllstand wird – wie bereits erwähnt – üblicherweise durch Überwachung der Resonanzfrequenz fr ermittelt. Bevorzugt erfolgt die Bestimmung der Viskosität η, indem zwei voneinander verschiedene Phasenwerte φ1, φ2 eingestellt und die entsprechenden Frequenzen bzw. die entsprechende Frequenzänderung df = f1 – f2 ermittelt wird. Die Frequenzänderung df = f1 – f2 bei vorgegebenen Phasenwerten φ1, φ2 ist funktional abhängig von der Viskosität η.Because of this high degree of similarity, it is also relatively easy, a unit capable of oscillating 2 as a universal sensor for the filling level, Density and / or viscosity measurement form. The level is - as already mentioned - usually determined by monitoring the resonant frequency fr. The determination of the viscosity η preferably takes place by setting two phase values φ1, φ2 that differ from one another and determining the corresponding frequencies or the corresponding frequency change df = f1-f2. The frequency change df = f1-f2 at given phase values φ1, φ2 is functionally dependent on the viscosity η.

Die schwingfähige Einheit 2 wird über die piezoelektrische Erreger-/Empfangseinheit, die im gezeigten Fall aus einem scheibenförmgien piezoelektrischen Element 5, einer Antriebselektrode 6 und zwei Empfangselektroden 7 besteht, zu Schwingungen angeregt. Hierbei übernimmt das piezoelektrische Element 5 die Funktion eines Interfaces zwischen den mechanischen Teilen, also der Membran 4 und den Schwingelementen 3, und den elektronischen Teilen, Antriebselektrode 6 und Empfangselektroden 7, der schwingfähigen Einheit 2: Das piezoelektrische Element 5 setzt einerseits ein elektrisches Antriebssignal in mechanische Schwingungen um; anderer-seits wandelt es mechanische Schwingungen in ein elektrisches Antwort-signal. Es versteht sich von selbst, daß anstelle eines scheibenförmigen piezoelektrischen Elements 5 auch ein sog. Stapelantrieb eingesetzt werden kann.The oscillatable unit 2 is via the piezoelectric exciter / receiver unit, which in the case shown from a scheibenförmgien piezoelectric element 5 , a drive electrode 6 and two receiving electrodes 7 exists, excited to vibrate. This takes over the piezoelectric element 5 the function of an interface between the mechanical parts, ie the membrane 4 and the vibrating elements 3 , and the electronic parts, drive electrode 6 and receiving electrodes 7 , the oscillatory unit 2 : The piezoelectric element 5 on the one hand converts an electrical drive signal into mechanical vibrations; on the other hand, it converts mechanical vibrations into an electrical response signal. It goes without saying that instead of a disk-shaped piezoelectric element 5 also a so-called stack drive can be used.

In 5 ist ein Blockschaltbild der in 4 verwendeten Erregerschaltung 9 dargestellt. Die Erregerschaltung 9 hat – wie aus dem in 5 gezeigten Blockschaltbild hervorgeht – mehrere Funktionen: Sie greift das Empfangssignal Rx an den Empfangselektroden 7 ab. Das Antwortsignal Rx wird über den Bandpaßfilter 13 geführt. Der Bandpaßfilter 13 hat bevorzugt eine sehr kleine Bandbreite, so daß nur noch die gewünschten Frequenzen bzw. die gewünschte Frequenz am Ausgang des Bandpaßfilters 13 vorhanden sind bzw. vorhanden ist. Das gefilterte Antwortsignal Rx wird anschließend dem Verstärker 14 zugeführt und verstärkt. In dem Phasenschieber 15 werden im gezeigten Fall zwei konstante Phasenwerte φ1, φ2 eingestellt. Über den Verstärker 16 und den Tiefpaßfilter 17 wird das Antwortsignal auf die Antriebselektrode 6 als Antriebssignal Tx zurückgeführt und regt die schwingfähige Einheit 2 zu Schwingungen mit dem jeweils eingestellten Phasenwert φ1; φ2 an.In 5 is a block diagram of in 4 used exciter circuit 9 shown. The exciter circuit 9 has - as from the in 5 shown block diagram shows - several functions: It picks up the received signal Rx to the receiving electrodes 7 from. The response signal Rx is via the bandpass filter 13 guided. The bandpass filter 13 preferably has a very small bandwidth, so that only the desired frequencies or the desired frequency at the output of the bandpass filter 13 are present or available. The filtered response signal Rx is then the amplifier 14 fed and reinforced. In the phase shifter 15 In the case shown, two constant phase values φ1, φ2 are set. About the amplifier 16 and the low pass filter 17 the response signal is applied to the drive electrode 6 returned as the drive signal Tx and excites the oscillatory unit 2 to oscillations with the respectively set phase value φ1; φ2.

Von der Erregerschaltung 9 gelangt das Antwortsignal Rx zu dem Mikroprozessor 10, der zu jedem Phasenwert φ1; φ2 die entsprechende Frequenz f1; f2 ermittelt. Nachfolgend wird die Frequenzänderung df = f2 – f1 bestimmt und mit entsprechenden Daten, die in der Speichereinheit 11 abgelegt sind, verglichen. Aufgrund des eindeutigen funktionalen Zusamennhangs zwischen der Frequenzänderung df und der Viskosität η läßt sich die jeweilige Viskosität η des Mediums ermitteln. Die ermittelte Viskosität η des Mediums kann beispielsweise über die Eingabe-/Anzeigeeinheit 12 dem Bedienpersonal zur Kenntnis gebracht werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, den ermittelten Viskositätswert zur Ansteuerung von Stellgliedern zu verwenden.From the exciter circuit 9 the response signal Rx reaches the microprocessor 10 which corresponds to each phase value φ1; φ2 the corresponding frequency f1; f2 determined. Subsequently, the frequency change df = f2-f1 is determined and with corresponding data stored in the memory unit 11 are filed compared. Due to the unique functional relationship between the frequency change df and the viscosity η, the respective viscosity η of the medium can be determined. The determined viscosity η of the medium can, for example, via the input / display unit 12 be informed to the operating personnel. Of course, it is also possible to use the determined viscosity value for the control of actuators.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird die Frequenz f innerhalb vorgegebener Frequenzbänder geändert; die schwingfähige Einheit 2 wird also mit unterschiedlichen Frequenzen angetrieben (→ frequency sweep). Den unterschiedlichen Frequenzen sind unterschiedliche Phasenwerte zugeordnet. Graphisch ist das kontinuierliche Durchfahren gewisser Frequenzbereiche in 6 darstellt. In 7 ist ein Blockschaltbild dieser zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu sehen.According to an alternative embodiment of the device according to the invention 1 the frequency f is changed within predetermined frequency bands; the oscillatory unit 2 is thus driven with different frequencies (→ frequency sweep). The different frequencies are assigned different phase values. Graphically, the continuous passage through certain frequency ranges in 6 represents. In 7 is a block diagram of this second embodiment of the device according to the invention 1 to see.

Bei dieser zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden während des 'frequency sweep' zwei Frequenzen f1, f2 lokalisiert, die zu zwei fest vorgegebenen Phasenwerten φ1, φ2 gehören. Konkret werden hierzu gewisse Frequenzbereiche Δf1, Δf2 in kontinuierlichen Schritten durchfahren. Sobald die fest vorgegebenen Phasenwerte φ1, φ2 gemessen werden, werden die zu den Phasenwerten φ1, φ2 gehörigen Frequenzen f1, f2 ermittelt. Aufgrund der Frequenzdifferenz df = f2 – f1 wird anschließend die Viskosität η des Mediums bestimmt.at This second embodiment of the device according to the invention become two frequencies during the frequency sweep f1, f2, which belong to two fixed phase values φ1, φ2. Concrete For this purpose, certain frequency ranges .DELTA.f1, .DELTA.f2 in continuous steps passed through. As soon as the fixed phase values φ1, φ2 are measured , the frequencies f1, f2 belonging to the phase values φ1, φ2 are determined. Due to the frequency difference df = f2 - f1 then the Viscosity η of the medium certainly.

Die schwingfähige Einheit 2 wird von einem Signalgenerator 19 mit Antriebs-signalen Tx einer vorgegebenen Frequenz und bevorzugt einer vorgegebenen Amplitude erregt. Die Antriebssignale Tx werden einer Signalanpassungs-einheit 18 zugeführt, die die Signale derart aufbereitet, daß sie von der Empfangseinheit 21 gelesen werden können. Die Empfangseinheit 21 empfängt also die Antwortsignale Rx der schwingfähigen Einheit 2; ein Phasenmesser 22 bestimmt jeweils die entsprechende Phasenverschiebung zwischen Antriebs- und dem Antwortsignal. Die Steuereinheit 20 zeichnet für den gesamten Ablauf zur Ermittlung der Frequenzänderung df verantwortlich: Sie führt den Phasenvergleich aus, steuert die Frequenz des Signalgenerators 19 und berechnet schließlich die entsprechende Frequenzänderung df. Anhand der ermittelten Frequenzänderung df wird nachfolgend in dem Konverter 23 die Viskosität η des Mediums bestimmt. Hierzu werden abgespeicherte Tabellenwerte, Kennlinien oder Formeln herangezogen.The oscillatable unit 2 is from a signal generator 19 with drive signals Tx a predetermined frequency and preferably a predetermined amplitude excited. The drive signals Tx become a signal conditioning unit 18 supplied, which processes the signals such that they from the receiving unit 21 can be read. The receiving unit 21 So receives the response signals Rx of the oscillatory unit 2 ; a phase meter 22 determines in each case the corresponding phase shift between the drive and the response signal. The control unit 20 records the entire process for determining the frequency change df: It performs the phase comparison, controls the frequency of the signal generator 19 and finally calculates the corresponding frequency change df. Based on the determined frequency change df is subsequently in the converter 23 the viscosity η of the medium is determined. For this purpose stored table values, characteristic curves or formulas are used.

11: erfindungsgemäße Vorrichtunginventive device
22: schwingfähige Einheitoscillatory unit
33: Schwingelementvibrating element
44: Membranmembrane
55: Piezoelektrisches Materialpiezoelectric material
66: Erregerelektrodeexcitation electrode
77: Empfängerelektrodereceiver electrode
88th: Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
99: Erregerschaltungexcitation circuit
1010: Mikroprozessormicroprocessor
1111: Speichereinheitstorage unit
1212: Anzeigeeinheitdisplay unit
1313: Bandpaßfilterbandpass filter
1414: Verstärkeramplifier
1515: Phasenschieberphase shifter
1616: Verstärkeramplifier
1717: Tiefpaßfilterlow pass filter
1818: SignalanpassungseinheitSignal conditioning unit
1919: Signalgeneratorsignal generator
2020: Steuereinheitcontrol unit
2121: Signalempfängersignal receiver
2222: Phasenmesserphase meter
2323: Konverterconverter
2424: Busleitungbus line
2525: Kontrollstellecontrol Authority

Claims

Device for determining and / or monitoring the level of a medium in a container (limit switch) and for determining and / or monitoring the viscosity of the medium with an oscillatable unit, a drive / receiving unit and a control / evaluation unit, wherein the oscillatable unit in a vibration-capable unit is mounted so that it dips to a defined immersion depth in the medium, wherein the drive / receiving unit excites the oscillatory unit to vibrate or wherein the drive / receiving unit receives the oscillations of the oscillatable unit, wherein the control / evaluation unit ( 8th ) the oscillatable unit ( 2 ) operates in a first operating mode as a limit switch and in a second operating mode as a viscosity sensor, wherein the control / evaluation unit ( 8th ) based on the change in the resonant frequency (fr) of the oscillatory unit ( 2 ) determines the level of the medium, and wherein the control / evaluation unit ( 8th ) based on the frequency-phase curve (φ = g (f)) of the oscillatory unit ( 2 ) determines the viscosity (η) of the medium.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the drive unit ( 5 . 6 . 7 ) the oscillatable unit ( 2 ) is excited to oscillate in a predetermined vibration mode, wherein the vibration mode is preferably the fundamental mode of the oscillatable unit ( 2 ).

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is in the drive / receiving unit ( 5 . 6 . 7 ) is a piezo drive which is in contact with the membrane ( 4 ) is, on which the at least one vibrating element ( 3 ) is attached.

Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ) a storage unit ( 11 ), in which data is stored, which determines the functional relationship between the frequency (f) and the phase (φ) of the oscillations of the oscillatable unit ( 2 ) at different attenuations (ξ) or at different viscosities (η).

Apparatus according to claim 4, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ) sets at least two mutually sufficiently different phase values (φ1, φ2) that the control / evaluation unit ( 8th ) the frequencies (f1, f2) associated with the phases (φ1, φ2) or the corresponding frequency change (df) of the oscillations of the oscillatable unit ( 2 ) and that the control / evaluation unit ( 8th ) determines the viscosity (η) of the medium by comparing the determined frequency change (df) with stored data.

Device according to claim 5, characterized in that that the at least two phase values (φ1, φ2) symmetric to the phase value φ = 90 °.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ) selects the region in which the frequencies (f) used to determine the viscosity (η) are selected such that the functional relationship between the phase values (φ) and the frequencies (f) is substantially linear.

Apparatus according to claim 4, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ) sets at least two different frequencies (f1, f2) that the control / evaluation unit ( 8th ) the frequencies (f1, f2) of the oscillations of the oscillatable unit ( 2 ) associated phase values (φ1, φ2) and determines that the control / evaluation unit ( 8th ) determines the viscosity (η) of the medium by comparing the determined phase values (φ1, φ2) with stored data.

Apparatus according to claim 8, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ) a signal generator ( 19 ) associated with the drive unit ( 6 ) so that the oscillatable unit ( 2 ) oscillates successively at different oscillation frequencies, wherein the oscillation frequencies are within at least one selected frequency band.

Apparatus according to claim 1, 5 or 8, characterized in that an input / output unit ( 12 ) is provided via the settings on the device ( 1 ) or provided via the information regarding the measured values supplied by the device.

Apparatus according to claim 4, characterized in that at least one bus line ( 24 ) is provided, via which the control / evaluation unit ( 8th ) with a remote control body ( 25 ) communicates.