EP1525438A1 - Device for the determination or monitoring of a physical or chemical process parameter - Google Patents

Device for the determination or monitoring of a physical or chemical process parameter

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EP1525438A1
EP1525438A1 EP03766226A EP03766226A EP1525438A1 EP 1525438 A1 EP1525438 A1 EP 1525438A1 EP 03766226 A EP03766226 A EP 03766226A EP 03766226 A EP03766226 A EP 03766226A EP 1525438 A1 EP1525438 A1 EP 1525438A1
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EP
European Patent Office
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control
unit
zauswerteinheit
electrode
transmitting
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Withdrawn
Application number
EP03766226A
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German (de)
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Inventor
Alexander Müller
Christoph Rompf
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Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
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    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
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    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis

Abstract

The invention relates to a device for the determination or monitoring of a physical or chemical process parameter of a medium with a sensor, a first regulation/analytical unit and a second regulation/analytical unit, whereby each regulation/analytical unit comprises several components. According to the invention, at least one component of each of the first regulation/analytical unit (10) and the second regulation/analytical unit (11) has a redundant and diverse embodiment.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozeßgröße Device for determining and / or monitoring a physical or chemical process variable
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozeßgröße eines Mediums mit einem Sensor, mit einer ersten Regel-/Auswerteeinheit und mit einer zweiten Regel-/Auswerteeinheit, wobei jede Regel-/Auswerteeinheit mehrere Komponenten aufweist. Unter den Komponenten der Regel-The invention relates to a device for determining and / or monitoring a physical or chemical process variable of a medium with a sensor, with a first control / evaluation unit and with a second control / evaluation unit, each control / evaluation unit having several components. Among the components of the regular
/Auswerteeinheit sind sowohl Hardware-Komponenten als auch Software- Komponenten zu verstehen./ Evaluation unit are to be understood as both hardware components and software components.
Bei den zu bestimmenden und zu überwachenden Prozeßgrößen handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, den Durchfluß, die Dichte, die Viskosität, den Druck, die Temperatur, die Leitfähigkeit oder die chemische Zusammensetzung des Mediums. Die Prozeßgrößen werden über die unterschiedlichsten Typen von Sensoren ermittelt. Meßgeräte für die Bestimmung und Überwachung der beispielhaft zuvor genannten Prozeßgrößen werden von der Endress+Hauser-Gruppe angeboten und vertrieben.The process variables to be determined and monitored are, for example, the fill level, the flow, the density, the viscosity, the pressure, the temperature, the conductivity or the chemical composition of the medium. The process variables are determined using the most varied types of sensors. The Endress + Hauser Group offers and sells measuring devices for determining and monitoring the process variables mentioned above by way of example.
Je nach Anwendungsfall müssen die Meßgeräte höchsten Sicherheitsanforderungen genügen. Als Beispiel sei die Füllstandsüberwachung in einem Tank mittels eines Grenzstanddetektors genannt. Ist in dem Tank eine brennbare oder auch eine nicht brennbare, dafür aber wassergefährdene Flüssigkeit gelagert, so muß in hohem Maße sichergestellt sein, daß die Zufuhr von Flüssigkeit zu dem Tank sofort unterbrochen wird, sobald der vorbestimmte maximale Füllstand erreicht ist. Dies wiederum setzt voraus, daß das Meßgerät zuverlässig fehlerfrei arbeitet. Um dies gewährleisten zu können, sehen bekannte Lösungen zwei parallel arbeitende Sensoren vor. Durch die zweifache Auslegung der Überwachungseinrichtung wird zwar das Versagens-Risiko halbiert; andererseits fallen bei dieser Lösung doppelte Kosten an. Weiterhin ist ein Failsafe-Grenzschalter bekannt geworden, der von der Anmelderin unter der Bezeichnung 'FDL60/FTL670' angeboten und vertrieben wird. Dieser Failsafe-Grenzschalter ist als Überlaufsicherung Für Anwendungen mit hohen und extrem hohen Sicherheitsanforderungen zugelassen, d.h. bei dem Bekannten Grenzschalter ist gewährleistet, daß er bei jeder Art von Ausfall und Fehlfunktion in dem sicheren Zustand verbleibt oder augenblicklich in den sicheren Zustand übergeht. Dieser Zustand entspricht z.B. dem Schließen des Zulaufventils.Depending on the application, the measuring devices must meet the highest safety requirements. Level monitoring in a tank by means of a point level detector may be mentioned as an example. If a flammable or a non-flammable, but water-endangering liquid is stored in the tank, it must be ensured to a high degree that the supply of liquid to the tank is interrupted as soon as the predetermined maximum fill level is reached. This in turn presupposes that the measuring device works reliably and without errors. In order to guarantee this, known solutions provide two sensors working in parallel. The risk of failure is halved by the double design of the monitoring device; on the other hand, this solution has double costs. Furthermore, a failsafe limit switch has become known, which is offered and sold by the applicant under the designation 'FDL60 / FTL670'. This failsafe limit switch is approved as an overflow protection for applications with high and extremely high safety requirements, ie the known limit switch ensures that it remains in the safe state with any type of failure and malfunction or immediately changes to the safe state. This state corresponds, for example, to the closing of the inlet valve.
Eine regelmäßige Inspektion und Überprüfung des korrekten Arbeitens erfolgt bei dem bekannten Failsafe-Meßgerät automatisch. Durch den redundanten Aufbau der Sende-/Empfangseinheit, der Elektronik und der Auswerteeinheit sowie durch die Nutzung von zwei kodierten Meßkanälen, zwischen denen eine Regel-/Auswerteschaltung in einem vorgegebenen Rhythmus hin- und herschaltet, lassen sich Fehler in dem Meßgerät mit der geforderten hohen Sicherheit erkennen. Nachteil der bekannten Lösung ist, daß systematische Fehler, die beiden Meßgeräten eigen sind, nicht erkannt werden. Desweiteren ist die Entwicklung der bekannten Lösung technisch sehr anspruchsvoll, langwierig und teuer, da während des Entwicklungsprozesses das Auftreten von systematischen Fehlern vermieden bzw. minimiert werden muß.A regular inspection and check of the correct work is done automatically with the known failsafe measuring device. Due to the redundant structure of the transmitter / receiver unit, the electronics and the evaluation unit as well as the use of two coded measuring channels, between which a control / evaluation circuit switches back and forth in a predetermined rhythm, errors can be made in the measuring device with the required high Recognize security. The disadvantage of the known solution is that systematic errors that are inherent in the two measuring devices are not recognized. Furthermore, the development of the known solution is technically very demanding, lengthy and expensive, since the occurrence of systematic errors must be avoided or minimized during the development process.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verwendung in der Automations- und Prozeßmeßtechnik vorzuschlagen, die sich durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit auszeichnet.The invention has for its object to propose a device for use in automation and process measurement technology, which is characterized by a high degree of reliability.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeweils zumindest eine Komponente der ersten Regel-/Auswerteeinheit und der zweiten Regel-/Auswerteeinheit redundant und diversitär ausgelegt ist. Hierdurch wird eine einfache Möglichkeit geboten, systematische Fehler bereits durch eine geeignete Auswahl der Grundkonzeption auszuschließen bzw. zu minimieren.The object is achieved in that at least one component of the first control / evaluation unit and the second control / evaluation unit is designed redundantly and diversely. This provides a simple way of eliminating or minimizing systematic errors by selecting the appropriate basic concept.
Wie bereits gesagt, handelt es sich bei den Komponenten der Regel- /Auswerteeinheit um Hardware-Komponenten oder um Software-Komponenten. Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß der ersten Regel-/Auswerteeinheit ein erster Mikroprozessor zugeordnet ist und daß der zweiten Regel-/Auswerteeinheit ein zweiter Mikro- Prozessor zugeordnet ist. Um die erfindungswesentlichen Merkmale: Redundanz und Diversität zu erfüllten, sind - im Hinblick auf die Hardware- Komponenten - die beiden Mikroprozessoren von unterschiedlichem Typ. Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die beiden Mikroprozessoren von unterschiedlichen Herstellern stammen.As already said, the components of the control / evaluation unit are hardware components or software components. According to a development of the device according to the invention, it is provided that a first microprocessor is assigned to the first control / evaluation unit and that a second microprocessor is assigned to the second control / evaluation unit. Processor is assigned. In order to fulfill the features essential to the invention: redundancy and diversity, the two microprocessors are of different types with regard to the hardware components. An alternative embodiment of the device according to the invention provides that the two microprocessors come from different manufacturers.
Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, daß die Relais und/oder die Aktoren (z. B. Venile) redundant und diversitär ausgelegt sind.Additionally or alternatively, it is provided that the relays and / or the actuators (eg Venile) are designed redundantly and diversely.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammt die in den Mikroprozessoren gespeicherte Software aus unterschiedlichen Quellen (Hersteller, Programmierer). Hierdurch wird - ebenso wie bei den zuvor geschilderten hardwaremäßigen Varianten - neben einem Komplett-Ausfall des Meßgeräts das Auftreten von gemeinsamen systematischen Fehlern bei der Meßwert-bereitstellung ausgeschlossen. Die Software- Variante hat den Vorteil, daß hier lediglich die Kosten für die doppelte Erstellung der Software anfallen; Folgekosten - wie sie sich bei der Verwendung von redundaten Hardware-Komponenten zeigen - treten nicht auf.According to a preferred embodiment of the device according to the invention, the software stored in the microprocessors comes from different sources (manufacturer, programmer). As a result, as with the previously described hardware variants, in addition to a complete failure of the measuring device, the occurrence of common systematic errors in the provision of measured values is excluded. The software variant has the advantage that it only incurs the costs of creating the software twice; There are no follow-up costs - as can be seen when using redundant hardware components.
Selbstverständlich können sowohl einzelne wesentliche Hardware-Komponenten als auch einzelne Software-Komponenten voneinander verschieden sein. Durch die redundante und diversitäre Auslegung von Hardware- und Software-Komponenten läßt der Grad der Sicherheit noch einmal erhöhen.Of course, both individual essential hardware components and individual software components can be different from one another. The level of security can be increased again by the redundant and diverse design of hardware and software components.
Insbesondere handelt es sich im Zusammenhang mit der Erfindung um einen Vibrationsdetektor zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter. Diese Art von Detektoren kann mit einem geänderten Auswerte-Algorithmus auch für Dichtemessungen eingesetzt werden. Generell ist zu sagen, daß die Erfindung nicht auf diese explizit genannten Anwendungsfälle beschränkt ist: Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Lösung bei den unterschiedlichsten Feldgeräten zwecks Messung der verschiedenen Prozeßgrößen eingesetzt werden.In particular, the invention relates to a vibration detector for determining and / or monitoring the fill level of a medium in a container. With a modified evaluation algorithm, this type of detector can also be used for density measurements. In general, it can be said that the invention is not limited to these explicitly mentioned applications: In principle, the solution according to the invention can be used in a wide variety of field devices for the purpose of measuring the different process variables.
Als Grenzschalter ausgebildete Vibrationsdetektoren nutzen den Effekt aus, daß die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude einesVibration detectors designed as limit switches take advantage of the effect that the oscillation frequency and the oscillation amplitude of a
Schwingelements abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des Schwingelements: Während das Schwingelement in Luft frei und ungedämpft seine Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung (üblicherweise wird die Frequenz gemessen) läßt sich folglich ein eindeutiger Rückschluß auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter ziehen.Vibration elements are dependent on the respective degree of coverage of the Vibrating element: While the vibrating element can carry out its vibrations freely and undamped in air, it experiences a change in frequency and amplitude as soon as it is partially or completely immersed in the medium. On the basis of a predetermined change in frequency (usually the frequency is measured), it is consequently possible to draw a clear conclusion that the predetermined fill level of the medium in the container has been reached.
Darüber hinaus wird die Dämpfung der Schwingung des Schwingelements auch von der jeweiligen Dichte des Mediums beeinflußt. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zur Dichte des Mediums, so daß Vibrationsdetektoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung bestens geeignet sind. 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 Piezoelements in elektrische Empfangssignale umgewandelt.In addition, the damping of the vibration of the vibrating element is also influenced by the respective density of the medium. Therefore, with a constant degree of coverage, there is a functional relationship to the density of the medium, so that vibration detectors are ideally suited for both level and density determination. In practice, for the purpose of monitoring and recognizing the fill level or the density of the medium in the container, the vibrations of the membrane are recorded and converted into electrical reception signals by means of at least one piezo element.
Die elektrischen Empfangssignale werden anschließend von einer Auswerte- Elektronik ausgewertet. Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht die Auswerte-Elektronik die Schwingungsfrequenz 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 bzw. zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.The electrical received signals are then evaluated by evaluation electronics. In the case of level determination, the evaluation electronics monitor the oscillation frequency and / or the oscillation amplitude of the oscillation element and signal the status 'sensor covered' or 'sensor uncovered' as soon as the measured values fall below or exceed a predetermined reference value. A corresponding message to the operating personnel can take place optically and / or acoustically. Alternatively or additionally, a switching process is triggered; for example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.
Im Anwendungsfall 'Füllstandsüberwachung bzw. Füllstandserkennung' ermitteln erfindungsgemäß die beiden Regel-/Auswerteeinheiten, die aus mehreren redundant und diversitär ausgelegten Teilkomponenten bestehen, das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes.In the application case 'fill level monitoring or fill level detection', according to the invention, the two control / evaluation units, which consist of several redundant and diversely designed subcomponents, determine whether the predetermined fill level has been reached.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Grenzschalters handelt es sich bei der Sende-/Empfangseinheit um ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element, auf dessen der schwingfähigen Einheit abgewandten Seite eine Elektrodenstruktur vorgesehen ist, die zumindest eine Sende-/Empfangselektrode, eine Empfangs-/Sendeelektrode und eine Masseelektrode aufweist. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Sende- /Empfangselektrode und die Empfangs-/Sendeelektrode halbkreisförmig ausgebildet sind, daß die Masselektrode balkenförmig ausgebildet ist und daß die Sende-/Empfangselektrode und die Empfangs-/Sendeelektrode klappsymmetrisch bezüglich der balkenförmigen, mittig angeordnete Masseelektrode angeordnet sind. Eine entsprechende Ausgestaltung eines Piezo-Antriebs für einen Grenzschalter ist bereits aus der EP 0 985 916 A1 bekannt geworden. Es versteht sich von selbst, daß auch anderweitige Ausgestaltungen der Sende-/Empfangseinheit in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommen können. Weiterhin kann die Erfindung auch auf dem bekannten und zuvor bereits erwähnten Failsafe-Grenzstanddetektor der Firma Endress+Hauser aufbauen.According to an advantageous embodiment of the limit switch according to the invention, the transmitting / receiving unit is a disk-shaped piezoelectric element, on the side of which facing away from the oscillatable unit, an electrode structure is provided, which has at least one transmission / reception electrode, a reception / transmission electrode and a ground electrode. Furthermore, it is provided that the transmit / receive electrode and the receive / transmit electrode are semicircular, that the ground electrode is bar-shaped, and that the transmit / receive electrode and the receive / transmit electrode are arranged symmetrically with respect to the bar-shaped, centrally arranged ground electrode. A corresponding configuration of a piezo drive for a limit switch has already been disclosed in EP 0 985 916 A1. It goes without saying that other configurations of the transmitter / receiver unit can also be used in connection with the device according to the invention. Furthermore, the invention can also be based on the known and previously mentioned failsafe point level detector from Endress + Hauser.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung Fg. 1 näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the following drawing, FIG. 1.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vor- richtung 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines1 shows a schematic illustration of the device 1 according to the invention for determining and / or monitoring the fill level of a
Mediums in einem Behälter. Behälter und Medium sind übrigens in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt. Die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist - wie bereits an vorhergehender Stelle erläutert - sowohl zur Füllstandserkennung als auch zur Bestimmung der Dichte des in dem Behälter befindlichen Mediums geeignet. Während im Fall der Füllstandserkennung die schwingfähige Einheit 2 nur bei Erreichen des detektierten Grenzfüllstandes in das Medium bzw. nicht in das Medium eintaucht, muß sie zwecks Überwachung bzw. zwecks Bestimmung der Dichte p kontinuierlich bis zu einer vorbestimmten Eintauchtiefe h in das Medium eintauchen. Bei dem Behälter kann es sich beispielsweise um einen Tank aber auch um ein Rohr handeln, das von dem Medium durchflössen wird.Medium in a container. Incidentally, the container and medium are not shown separately in FIG. 1. The device 1 shown in FIG. 1 is - as already explained at the previous point - suitable both for level detection and for determining the density of the medium in the container. While in the case of level detection the vibratable unit 2 is immersed in the medium or not in the medium only when the detected limit fill level is reached, it has to be immersed continuously in the medium up to a predetermined immersion depth h for the purpose of monitoring or for determining the density p. The container can be, for example, a tank or a pipe through which the medium flows.
Die Vorrichtung 1 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse auf. An der Mantelfläche des Gehäuses ist ein Gewinde 7 vorgesehen. Das Gewinde 7 dient zur Befestigung der Vorrichtung 1 auf der Höhe eines vorbestimmten Füllstandes und ist in einer entsprechenden Öffnung des Behälters ange- ordnet. Es versteht sich von selbst, daß andere Arten der Befestigung, z.B. mittels eines Flansches, das Verschrauben ersetzen können.The device 1 has an essentially cylindrical housing. A thread 7 is provided on the outer surface of the housing. The thread 7 serves to fasten the device 1 at the level of a predetermined fill level and is located in a corresponding opening in the container. assigns. It goes without saying that other types of fastening, for example by means of a flange, can replace screwing.
Das Gehäuse des Vibrationsdetektors 1 ist an seinem in den Behälter 3 hineinragenden Endbereich von der Membran 5 abgeschlossen, wobei die Membran 5 in ihrem Randbereich in das Gehäuse eingespannt ist. An der Membran 5 ist die in den Behälter ragende schwingfähige Einheit 2 befestigt. Im dargestellten Fall hat die schwingfähige Einheit 2 die Ausgestaltung einer Stimmgabel, umfaßt also zwei voneinander beabstandete, auf der Membran 5 befestigte und in den Behälter hineinragende Schwingstäbe 3, 4.The housing of the vibration detector 1 is closed off by the membrane 5 at its end region projecting into the container 3, the membrane 5 being clamped into the housing in its edge region. The oscillatable unit 2 projecting into the container is fastened to the membrane 5. In the illustrated case, the oscillatable unit 2 has the configuration of a tuning fork, that is to say comprises two spaced-apart oscillating rods 3, 4 fastened on the membrane 5 and projecting into the container.
Die Membran 5 wird von einem Antriebs-/Empfangseinheit 6 in Schwingungen versetzt, wobei das Antriebselement die Membran 5 mit einer vorgegebenen Erregerfrequenz zu Schwingungen anregt. Bei dem Antriebs- element handelt es sich z. B. um einen Stapelantrieb. Selbstverständlich kann es sich auch um den bereits zuvor beschriebenen scheibenförmigen Piezoantrieb handeln. Dieser sog. Bimorphantrieb ist symmetrisch aufgebaut: In einem Halbkreis ist die Sendeeinheit angeordnet, in dem anderen Halbkreis findet sich die Empfangseinheit. Beide Einheiten werden abwechselnd als Sende- und Empfangseinheit betrieben.The membrane 5 is set in vibration by a drive / receiver unit 6, the drive element exciting the membrane 5 to vibrate at a predetermined excitation frequency. The drive element is e.g. B. a stack drive. Of course, it can also be the disk-shaped piezo drive already described above. This so-called bimorph drive is constructed symmetrically: the transmitter unit is arranged in a semicircle, the receiver unit is located in the other semicircle. Both units are operated alternately as a sending and receiving unit.
Aufgrund der Schwingungen der Membran 5 führt auch die schwingfähige Einheit 2 Schwingungen aus, wobei die Schwingfrequenzen unterschiedlich sind, wenn die schwingfähige Einheit 2 mit dem Medium in Kontakt ist und eine Ankopplung an die Masse des Mediums besteht, oder wenn die schwingfähige Einheit 2 frei und ohne Kontakt mit dem Medium schwingen kann.Due to the vibrations of the membrane 5, the oscillatable unit 2 also carries out oscillations, the oscillation frequencies being different if the oscillatable unit 2 is in contact with the medium and is coupled to the mass of the medium, or if the oscillatable unit 2 is free and can swing without contact with the medium.
Aufgrund dieses Schwingungsverhaltens des piezoelektrischen Elements bewirkt die Spannungsdifferenz ein Durchbiegen der in das Gehäuse eingespannten Membran 5. Die auf der Membran 5 angeordneten Schwingstäbe 3, 4 der schwingfähigen Einheit 2 führen aufgrund der Schwingungen der Membran 5 gegensinnige Schwingungen um ihre Längsachse aus. Moden mit gegensinnigen Schwingungen haben den Vorteil, daß sich die von jedem Schwingstab 3, 4 auf die Membran 5 ausgeübten Wechselkräfte gegenseitig aufheben. Hierdurch wird die mechanische Beanspruchung der Einspannung minimiert, so daß näherungsweise keine Schwingungsenergie auf das Gehäuse oder auf die Befestigung des Vibrationsdetektors übertragen wird. Hierdurch läßt sich effektiv verhindern, daß die Befestigungsmittel des Vibrationsdetektors 1 zu Resonanzschwingungen angeregt werden, die wiederum mit den Schwingungen der schwingfähigen Einheit interferieren und die Meßdaten verfälschen könnten.Due to this vibration behavior of the piezoelectric element, the voltage difference causes the diaphragm 5 clamped in the housing to bend. The vibrating rods 3, 4 of the vibratable unit 2 arranged on the diaphragm 5 execute opposite vibrations about their longitudinal axis due to the vibrations of the diaphragm 5. Modes with opposite vibrations have the advantage that the alternating forces exerted by each vibrating rod 3, 4 on the membrane 5 cancel each other out. As a result, the mechanical stress on the clamping is minimized, so that approximately no vibration energy on the Housing or on the attachment of the vibration detector is transferred. This can effectively prevent the fastening means of the vibration detector 1 from being excited to resonate vibrations, which in turn could interfere with the vibrations of the vibratable unit and falsify the measurement data.
Die elektrischen Empfangssignale werden über Datenleitungen 8, 9 an die erste Regel-/Auswerteeinheit 10 und an die zweite Regel-/Auswerteeinheit 11 weitergeleitet. Eine Fehlermeldung wird dem Bedienpersonal im gezeigten Fall über die Ausgabeeinheit 14 übermittelt. Parallel wird bei Verwendung des Grenzschalters als Überlaufsicherung das Zulaufventil 21 geschlossen. Bei Verwendung des Grenzschalters als Leerlaufschutz wird die Pumpe abgeschaltet. Weiterhin ist in Fig. 1 die von dem Vibrationsdetektor 1 entfernt angeordnete Kontroll- oder Leitstelle 12 zu sehen. Die Regel-/Auswerte- einheiten 10, 11 und die Kontrollstelle 12 kommunizieren miteinander über die Datenleitung 13. Bevorzugt erfolgt die Kommunikation wegen der erhöhten Störsicherheit der Übertragung auf digitaler Basis entpsrechend einem der bekannten Übertragungsprotokolle. Die Regel-/Auswerteeinheiten 10, 11 können entweder im Vibrationsdetektor 1 untergebracht sein (-> Kompaktgerät); sie können aber auch getrennt von dem eigentlichen Sensor angeordnet sein.The received electrical signals are forwarded via data lines 8, 9 to the first control / evaluation unit 10 and to the second control / evaluation unit 11. In the case shown, an error message is transmitted to the operating personnel via the output unit 14. In parallel, when using the limit switch as an overflow protection, the inlet valve 21 is closed. If the limit switch is used as an idle protection, the pump is switched off. Furthermore, the control or control center 12 arranged at a distance from the vibration detector 1 can be seen in FIG. 1. The control / evaluation units 10, 11 and the control point 12 communicate with one another via the data line 13. The communication preferably takes place because of the increased interference immunity of the transmission on a digital basis in accordance with one of the known transmission protocols. The control / evaluation units 10, 11 can either be accommodated in the vibration detector 1 (-> compact device); but they can also be arranged separately from the actual sensor.
Im gezeigten Fall umfaßt jede der Regel-/Auswerteeinheiten 10, 11 einen Mikroprozessor 15, 16. In den zugeordneten Speichereinheiten 17, 18 sind u.a. die Softwareprogramme 19, 20 zur Auswertung der Meßdaten und/oder zur Steuerung/Regelung der Sende-/Empfangseinheit 6 untergebracht. Entweder sind die Mikroprozessoren 15, 16 von unterschiedlichem Typ und/oder sie stammen von unterschiedlichen Herstellern. Alternativ oder zusätzlich ist die in den Mikroprozessoren 15, 16 eingesetzte Software zumindest in den wesentlichen Teilen von unterschiedlichen Programmierern erstellt. Durch den redundanten und diversitären Aufbau der Regel-/Auswerte- eihnheiten 10, 11 wird das Auftreten von parallelen und systematischen Fehlern weitgehend ausgeschlossen. Erfindungsgemäß aufgebaute Meßgeräte sind daher gegen Fehlfunktionen oder Ausfall in hohem Maße geschützt, so daß sie selbst für die kritischsten Einsätze tauglich sind. BezugszeichenlisteIn the case shown, each of the control / evaluation units 10, 11 comprises a microprocessor 15, 16. In the associated memory units 17, 18 there are, among other things, the software programs 19, 20 for evaluating the measurement data and / or for controlling the transmitter / receiver unit 6 accommodated. Either the microprocessors 15, 16 are of different types and / or they come from different manufacturers. Alternatively or additionally, the software used in the microprocessors 15, 16 is created, at least in the essential parts, by different programmers. The redundant and diverse structure of the control / evaluation units 10, 11 largely precludes the occurrence of parallel and systematic errors. Measuring devices constructed in accordance with the invention are therefore highly protected against malfunctions or failure, so that they are suitable even for the most critical applications. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Vibrationsdetektor bzw. DichtesensorVibration detector or density sensor
Schwingfähige Einheit / SchwingelementVibratable unit / vibrating element
Schwingstabvibrating rod
Schwingstabvibrating rod
Membranmembrane
Erreger-/EmpfangseinheitExciter / receiver unit
Gewindethread
Datenleitungdata line
Datenleitungdata line
Erste Regel-/AuswerteeinheitFirst control / evaluation unit
Zweite Regel-/AuswerteeinheitSecond control / evaluation unit
Kontrollstellecontrol Authority
Datenleitungdata line
Ausgabeeinheitoutput unit
Erster MikroprozessorFirst microprocessor
Zweiter MikroprozessorSecond microprocessor
Erste SpeichereinheitFirst storage unit
Zweite SpeichereinheitSecond storage unit
Erste SoftwareFirst software
Zweite SoftwareSecond software
Ventil Valve

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozeßgröße eines Meßmediums mit einem Sensor, mit einer ersten Regel-/Auswerteeinheit und mit einer zweiten Regel- ZAuswerteeinheit, wobei jede Regel-ZAuswerteeinheit mehrere Komponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zumindest eine Komponente der ersten Regel-ZAuswerteeinheit1. Device for determining and / or monitoring a physical or chemical process variable of a measuring medium with a sensor, with a first control / evaluation unit and with a second control ZAuswerteinheit, each control ZAuswerteinheit has several components, characterized in that in each case at least a component of the first control Z evaluation unit
(10) und der zweiten Regel-ZAuswerteeinheit (11) redundant und diversitär ausgelegt ist.(10) and the second control ZAuswerteinheit (11) is designed redundantly and diversely.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Regel-ZAuswerteeinheit (10) ein erster Mikroprozessor (15) zugeordnet ist, daß der zweiten Regel-ZAuswerteeinheit (11) ein zweiter Mikroprozessor (16) zugeordnet ist und daß die beiden Mikroprozessoren (15, 16) von unterschiedlichem Typ sind.2. Device according to claim 1, characterized in that a first microprocessor (15) is assigned to the first control ZAuswerteinheit (10), that a second microprocessor (16) is assigned to the second control ZAuswerteinheit (11) and that the two microprocessors (15, 16) are of different types.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Regel-ZAuswerteeinheit (10) ein erster Mikroprozessor (15) zugeordnet, daß der zweiten Regel-ZAuswerteeinheit (11) ein zweiter Mikroprozessor (16) zugeordnet ist und daß die beiden Mikroprozessoren (15, 16) von unterschiedlichen Quellen stammen.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the first control ZAuswerteinheit (10) assigned a first microprocessor (15), that the second control ZAuswerteinheit (11) is assigned a second microprocessor (16) and that the two Microprocessors (15, 16) come from different sources.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine in den Mikroprozessoren (15, 16) gespeicherte Software (19, 20) von unterschiedlichen Herstellern stammt. 4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that one in the microprocessors (15, 16) stored software (19, 20) comes from different manufacturers.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Prozeßgröße um den Füllstand, die Schaumbildung, den Durchfluß, die Dichte, die Viskosität, den Druck, die Leitfähigkeit oder die chemische Zusammensetzung des Meßmediums handelt.5. The device according to claim 1, characterized in that the process variable is the level, the foaming, the flow, the density, the viscosity, the pressure, the conductivity or the chemical composition of the measuring medium.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sensor um einen Sensor (1) zur Feststellung undZoder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter bzw. zur Ermittlung der Dichte eines Mediums in dem Behälter handelt.6. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sensor is a sensor (1) for determining and monitoring the fill level of a medium in a container or for determining the density of a medium in the container.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine schwingfähige Einheit (2) und eine Sende-ZEmpfangs- einheit (6) aufweist, wobei die schwingfähige Einheit (2) auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist bzw. wobei die schwingfähige Einheit (2) so angebracht ist, daß sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, und wobei die Sende-ZEmpfangseinheit (6) die schwingfähige Einheit (2) mit einer vorgegebenen Erregerfrequenz zu Schwingungen anregt und die Antwort-Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) empfängt.7. The device according to claim 6, characterized in that the sensor has an oscillatable unit (2) and a transmitter-ZEmpfangs- unit (6), wherein the oscillatable unit (2) is attached to the level of the predetermined level or wherein the vibratable unit (2) is mounted so that it is immersed in the medium up to a defined immersion depth, and wherein the transmitting / receiving unit (6) excites the vibratable unit (2) with a predetermined excitation frequency to vibrate and the response vibrations of the vibratable Unit (2) receives.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Regel-ZAuswerteeinheiten (10, 11) das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennen, sobald eine vorgegebene Frequenzänderung auftritt, bzw. daß die beiden Regel-ZAuswerteeinheiten (10, 11) anhand der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit (2) die Dichte des Mediums ermitteln.8. The device according to claim 1 and 7, characterized in that the two control ZAuswerteinheit (10, 11) recognize the reaching of the predetermined level as soon as a predetermined frequency change occurs, or that the two Regel-ZAuswerteinheit (10, 11) based determine the density of the medium using the oscillation frequency of the oscillatable unit (2).
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Sende-ZEmpfangseinheit (6) um ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element handelt, auf dessen der schwingfähigen Einheit (2) abgewandten Seite eine Elektrodenstruktur vorgesehen ist, die zumindest eine Sende-ZEmpfangselektrode, eine Empfangs-ZSendeelektrode und eine Masseelektrode aufweist.9. The device according to claim 7, characterized in that it is in the transmitting / receiving unit (6) is a disk-shaped piezoelectric element on which the vibratable unit (2) an electrode structure is provided facing away from the side, which has at least one transmitting Z-receiving electrode, a receiving Z transmitting electrode and a ground electrode.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-ZEmpfangselektrode und die Empfangs-ZSendeelektrode halbkreisförmig ausgebildet ist, daß die Masselektrode balkenförmig ausgebildet ist und daß die Sende-ZEmpfangselektrode und die Empfangs-ZSendeelektrode klappsymmetrisch bezüglich der balkenförmigen, mittig angeordnete Masseelektrode angeordnet sind. 10. The device according to claim 9, characterized in that the transmitting Z-receiving electrode and the receiving Z-transmitting electrode is semicircular, that the ground electrode is bar-shaped and that the transmitting Z-receiving electrode and the receiving Z-transmitting electrode are arranged symmetrically with respect to the bar-shaped, centrally arranged ground electrode are.
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