EP1963809A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG MINDESTENS EINER MESSGRÖßE EINES MEDIUMS - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG MINDESTENS EINER MESSGRÖßE EINES MEDIUMS

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EP1963809A1
EP1963809A1 EP06830118A EP06830118A EP1963809A1 EP 1963809 A1 EP1963809 A1 EP 1963809A1 EP 06830118 A EP06830118 A EP 06830118A EP 06830118 A EP06830118 A EP 06830118A EP 1963809 A1 EP1963809 A1 EP 1963809A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
characteristic
pressure
determined
paddle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06830118A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sergej Lopatin
Helmut Pfeiffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1963809A1 publication Critical patent/EP1963809A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0016—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a diaphragm
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
    • G—PHYSICS
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    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02872—Pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for determining and / or
  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one measured variable of an at least partially gaseous medium, with at least one mechanically oscillatable unit, wherein the mechanically oscillatable unit has at least one paddle, which consists of a predeterminable material with a density (r ), which has a predeterminable surface with a surface (A) and a predeterminable thickness (d), and with at least one drive / receiving unit which excites the mechanically oscillatable unit to vibrate and which receives the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit.
  • a mechanically oscillatory unit for example, a tuning fork, a single rod or a membrane oscillator - to stimulate mechanical vibrations and to detect these oscillations again.
  • the characteristics of the mechanical vibrations show a dependence on the process variables, so that a conclusion on these variables is possible from the vibrations.
  • the medium is, for example, a liquid and if the filling level is to be determined or monitored as the process variable, then it is advantageous to evaluate at least the frequency of the vibrations. If the oscillatable unit vibrates freely and in particular uncovered by the medium, the resonance frequency is higher than in the case that the medium covers the oscillator. In the case of bulk solids, the oscillation amplitude decreases accordingly.
  • a vibrating sensor is optimally suited for the determination of process variables. It is known in the art, the application of liquids or bulk materials.
  • An object of the invention is therefore to determine or monitor measured variables of different gases or gas mixtures with the most cost-effective and robust measuring method possible. Another object is an identification of a gas or a gas mixture without chemical analysis propose.
  • the invention achieves the object with a method for determining and / or monitoring at least one measured variable of an at least partially gaseous medium, with at least one mechanically oscillatable unit, which is excited to mechanical vibrations, and their mechanical vibrations are received and evaluated.
  • the inventive method is that at least one characteristic is stored, which describes for at least one gas or a gas mixture at least the dependence of at least one parameter of the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit from the pressure that determines at least the characteristic of the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit is that the specific characteristic is compared with the stored characteristic, and that starting from the comparison of the specific characteristic with the stored characteristic, the measured variable of the medium is determined.
  • a characteristic curve is generated and stored which describes the dependence of a parameter of the mechanical vibrations on the prevailing pressure for at least one gas or a gas mixture.
  • at least one point is indicated at which, for at least one gas or a concentration value of a gas mixture, a specific value of the parameter is assigned to a specific pressure. Since the parameter is determined from the mechanical vibrations, it can be concluded from the knowledge of the gas or the gas mixture on the pressure, or it can at least show a deviation from a pressure. Conversely, if the pressure is known, it can be concluded that there is a gas or the concentration of this gas / gas mixture.
  • this embodiment is a method for determining the pressure of a gas or a gas mixture.
  • a gas line which is traversed by a known gas.
  • Measurement of the medium the presence of a gas within the medium and / or a concentration of a gas within the medium, which is a gas mixture, it is determined that at least the pressure of the medium is measured, that the determined characteristic is compared with the stored characteristic which the dependence of the characteristic of the pressure of at least one gas and / or from the pressure for at least one concentration of at least one gas mixture describes, and that starting from the comparison of the specific characteristic with the stored characteristic, the gas and / or the concentration of the gas mixture is determined.
  • This second variant of the method makes use of the fact that gases or gas mixtures behave differently at known pressures and also have different effects on the mechanical vibrations, so that from the vibrations at known pressure on the type of gas or on the presence of a gas or on the concentration of a gas mixture can be concluded.
  • this is a method for detecting a gas and / or for determining a concentration of at least one gas in a gas mixture.
  • This also requires that the pressure of the gas be measured.
  • this is intended to a container which is filled with a known gas or a known gas mixture.
  • the measurement method can be used to determine whether the concentration changes, for example if the process is running with deviation from specified parameters or if there is a leak in the process.
  • Characteristic of the mechanical vibrations Freq ⁇ enz is determined. Other characteristics may be amplitude or phase relative to the excitation signal of the vibrations.
  • Temperature of the medium is measured, and that the measured temperature is included in the determination of the measured variable.
  • the temperature usually also has effects on gases, so that the determination of the temperature makes the measurement more accurate or even allows an application at different temperatures.
  • An embodiment of the method according to the invention provides that the specific measured variable is compared with at least one stored setpoint value, and that in the case of a deviation of the specific measured variable from the stored one Setpoint a signal is generated.
  • the method primarily assumes monitoring of the measured variable.
  • the invention also achieves the object by a device for determining and / or monitoring at least one measured variable of an at least partially gaseous medium, with at least one mechanically oscillatable unit, wherein the mechanically oscillatable unit has at least one paddle, which consists of a predeterminable material a density (r), which has a predeterminable surface with a surface (A) and a predetermined thickness (d), and with at least one drive / receiving unit, which excites the mechanically oscillatable unit to vibrate and which mechanical vibrations of the mechanical oscillatory unit receives.
  • the invention consists in the fact that the product of thickness (d) and density (r) of the paddle is as small as possible, and that the surface (A) of the paddle (2) is as large as possible.
  • a change in the Schwingungsfreq ⁇ enz leaves (F i by Med relative to Freq ⁇ enz in vacuo F vacuum) of a tuning fork are described as follows:
  • a is the width of the tines of the tuning fork
  • d is the thickness of the tines
  • r is the density of the material from which the forks are made.
  • the sensitivity of the measurement increases when K is large or when the product of the thickness of the tines and the density of the material used is small and the width of the tines is as large as possible.
  • the forks should be as light and as thin as possible.
  • gases it is important if the sensitivity is as large as possible.
  • a gas in contrast to, for example, a bulk material, also makes it possible to use an oscillatable unit, which is less robust due to its lower density.
  • Product of thickness (d) and density (r) based on the area (A) of the paddle is less than 0.34 g / cm. This means that for an area of 1 cm 2, the product of density and thicker is less than 0.34 g / cm.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that the thickness (d) of the paddle is smaller than 1 cm.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the thickness (d) of the paddle is smaller than 1 millimeter.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that the density (r) of the paddle is less than 8.5 g / cm 3 . This value applies to most steel grades.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the paddle consists essentially of a ceramic or of a Qas or of a plastic. These materials are low in density but robust at the same time.
  • FIG. 4 shows a representation as in FIG. 3 for different gases.
  • Fig. 1 shows a container 8, which is filled with a gas mixture as a medium 7.
  • This gas 7 is monitored or measured by a measuring device which has a mechanically oscillatable unit 1.
  • the mechanically oscillatable unit here consists of two forks, which are attached to a membrane 3.
  • the membrane 3 is followed by a drive / receiving unit 4, which is, for example, a piezoelectric element.
  • This drive / receiving unit 4 is acted upon, for example, with an electrical alternating voltage, which causes the drive / receiving unit 4 performs mechanical vibrations that are transmitted via the membrane 3 on the forks.
  • the detected by the drive / receiving unit 4 mechanical vibrations are in turn transmitted to an electrical alternating voltage, which is evaluated by the evaluation / control unit 5.
  • the frecuency for example, the frecuency, the amplitude or even the phase can be determined as a parameter.
  • the characteristic of the oscillations is at least dependent on what kind of gas it is and what pressure prevails. If one of these two variables is known, then the remaining variable can be determined from the measured parameter.
  • a pressure sensor 10 is provided, which measures the pressure in the container 8 and thus the pressure of the medium 7. This pressure measurement value is transferred to the evaluation / control unit 5 and there can thus take place a comparison with characteristic curves which are stored in a memory unit 6. Thus, it is possible to detect the concentration of a gas mixture or even the presence of a specific gas in the container 8.
  • setpoint values can also be stored, exceeding which, for example, an alarm or a switching signal is output by the measured value. For example, if the target value is 0 and results in a concentration greater than 0 for a gas, so the presence of the gas is thus already detected alone. With this arrangement, for example, a leakage in a gas tank can be detected by determining the concentration change of the present gas or the inflow of another gas. Since the medium is primarily a gas, the temperature dependence must also be taken into account, so that a temperature sensor 9 is also provided here.
  • the pressure sensor 10 shown here would thus serve, for example, redundancy or validation.
  • the forks are shown here from the side and have a thickness d there. 2, a paddle 2 is shown from the front, so that the area A can be seen with the width a.
  • the sensitivity of the measuring device can be increased because the paddles 2 are as thin as possible and have the largest possible area A with the greatest possible width a.
  • the paddles should preferably be made of a material with a low density r. High sensitivity is especially important in the measurement of gases.
  • the senor Since the sensor has a high sensitivity, it can also serve
  • the dependence of the relative Freq ⁇ enz selectedung on the pressure is shown in Fig. 3 for air at 20 0 C.
  • the slope of this characteristic strongly depends on the thickness of the paddle 2:
  • the paddles have the following thicknesses from bottom to top: 0.3 mm, 0.5 mm, 1.0 mm and 2.1 mm. As you can see, a thinner paddle 2 is better because the measurement sensitivity is greater. As can also be seen, it allows the measurement of the frequency of the vibrations to be concluded with the prevailing pressure.
  • the displacement of the curves by different temperatures is to be included accordingly in practice. Ie these curves are ideal for the Pressure measurement.
  • Fig. 4 corresponding curves for different gases are shown. From bottom to top, this is coolant R22, butane, propane, CO2 and air. Thus, if the pressure is known and the Freq ⁇ enz selectedung the vibrations is measured, it can be determined which gas is present. Thus, it is possible with the Mes s device to make a gas detection to the effect that the presence of a particular gases detected and that the concentration of a gas mixture is specified.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums (7), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Kennlinie hinterlegt wird, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch mindestens die Abhängigkeit mindestens einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) vom Druck beschreibt, dass mindestens die Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie die Messgröße des Mediums (7) bestimmt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Messgröße.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer
Messgröße eines Mediums
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder
Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens ein Paddel aufweist, welches aus einem vorgebbaren Material mit einer Dichte (r) besteht, welches eine vorgebbare Oberfläche mit einer Fläche (A) und eine vorgebbaren Dicke (d) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt.
[0002] Zur Bestimmung von Prozessgrößen eines Mediums ist es im Stand der Technik bekannt, eine mechanisch schwingfähige Einheit - beispielsweise eine Schwinggabel, ein Einstab oder ein Membranschwinger - zu mechanischen Schwingungen anzuregen und diese Schwingungen wieder zu detektieren. Die Kenngrößen der mechanischen Schwingungen zeigen dabei eine Abhängigkeit von den Prozessgrößen, so dass aus den Schwingungen ein Rückschluss auf dieses Größen möglich ist. Handelt es sich bei dem Medium beispielsweise um eine Füssigkeit und soll als Prozessgröße der Fülstand bestimmt oder überwacht werden, so ist es vorteilhaft, zumindest die Freqαenz der Schwingungen auszuwerten. Schwingt die schwingfähige Einheit frei und insbesondere unbedeckt durch das Medium, ist die Resonanzfreqαenz höher als in dem Fall, dass das Medium den Schwinger bedeckt. Bei Schüttgütern vermindert sich entsprechend die Schwingungsamplitude. Somit ist ein schwingender Sensor optimal für die Bestimmung von Prozessgrößen geeignet. Bekannt ist im Stand der Technik die Anwendung bei Füssigkeiten oder bei Schüttgütern.
[0003] Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, mit einem möglichst kostengünstigen und robusten Messverfahren, Messgrößen unterschiedlicher Gase oder Gasgemische zu bestimmen bzw. zu überwachen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Identifikation eines Gases bzw. eines Gasgemisches ohne chemische Analyse vorzuschlagen.
[0004] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass mindestens eine Kennlinie hinterlegt wird, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch mindestens die Abhängigkeit mindestens einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vom Druck beschreibt, dass mindestens die Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie die Messgröße des Mediums bestimmt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Kennlinie erzeugt und hinterlegt, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch die Abhängigkeit einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen vom herrschenden Druck beschreibt. Es wird also zumindest ein Punkt angegeben, an welchem zumindest für ein Gas oder einen Konzentrationswert eines Gasgemisches einem speziellen Druck ein bestimmter Wert der Kenngröße zugeordnet ist. Da die Kenngröße aus den mechanischen Schwingungen bestimmt wird, lässt sich daraus beim Wissen über das Gas bzw. das Gasgemisch auf den Druck schließen, bzw. es lässt sich zumindest eine Abweichung von einem Druck aufzeigen. Ist umgekehrt der Druck bekannt, so kann auf das Vorliegen eines Gases bzw. auf die Konzentration dieses Gases/Gasgemisches geschlossen werden.
[0005] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als
Messgröße des Mediums, welches ein Gas oder ein Gasgemisch ist, der Druck des Mediums bestimmt wird. In dieser ersten Ausgestaltung des Verfahrens ist somit bekannt, um was für ein Gas bzw. Gasgemisch es sich handelt, bzw. welche Konzentration gegeben ist. Dies erlaubt es, aus der Kenngröße der Schwingungen auf den Druck des Mediums bzw. den Druck das Gases/Gasgemisches zu schließen. Somit handelt es sich in dieser Ausgestaltung um ein Verfahren zur Bestimmung des Druckes eines Gases oder eines Gasgemisches. Als Anwendungsbeispiel sei hier an eine Gasleitung gedacht, die von einem bekannten Gas durchströmt wird.
[0006] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass als
Messgröße des Mediums die Anwesenheit eines Gases innerhalb des Mediums und/ oder eine Konzentration eines Gases innerhalb des Mediums, welches ein Gasgemisch ist, bestimmt wird, dass mindestens der Druck des Mediums gemessen wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, welche die Abhängigkeit der Kenngröße vom Druck mindestens eines Gases und/oder vom Druck für mindestens eine Konzentration mindestens eines Gasgemisches beschreibt, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie das Gas und/oder die Konzentration des Gasgemisches bestimmt wird. Diese zweite Variante des Verfahrens nutzt aus, dass sich Gase bzw. Gasgemische bei bekannten Drücken unterschiedlich verhalten und sich auch unterschiedlich auf die mechanischen Schwingungen auswirken, so dass aus den Schwingungen bei bekanntem Druck auf die Art des Gases bzw. auf das Vorliegen eines Gases bzw. auf die Konzentration eines Gasgemisches geschlossen werden kann. Somit handelt es sich hierbei um ein Verfahren zur Erkennung eines Gases und/oder zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Gases in einem Gasgemisch. Dies macht es auch erforderlich, dass der Druck des Gases gemessen wird. Als Anwendungsbeispiel sei hierbei an einen Behälter gedacht, welche mit einem bekannten Gas oder einer bekannten Gasmischung gefült ist. Durch das Messverfahren lässt sich darauf schließen, ob die Konzentration sich ändert, wenn beispielsweise der Prozess mit Abweichung von vorgegebenen Parametern läuft oder ob eine Leckage im Prozess vorliegt.
[0007] Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich gleichermaßen auf die beiden vorhergehend beschriebenen Varianten.
[0008] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als
Kenngröße der mechanischen Schwingungen die Freqαenz bestimmt wird. Andere Kenngrößen können die Amplitude oder die Phase relativ zum Anregesignal der Schwingungen sein.
[0009] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die
Temperatur des Mediums gemessen wird, und dass die gemessene Temperatur bei der Bestimmung der Messgröße einbezogen wird. Die Temperatur hat üblicherweise auch Auswirkungen auf Gase, so dass die Bestimmung der Temperatur die Messung genauer macht bzw. auch eine Anwendung bei unterschiedlichen Temperaturen erlaubt.
[0010] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die bestimmte Messgröße mit mindestens einem hinterlegten Sollwert verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der bestimmten Messgröße von dem hinterlegten Sollwert ein Signal erzeugt wird. In dieser Ausgestaltung wird durch das Verfahren primär eine Überwachung der Messgröße übernommen.
[0011] Die Erfindung löst die Aufgabe auch durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/ oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens ein Paddel aufweist, welches aus einem vorgebbaren Material mit einer Dichte (r) besteht, welches eine vorgebbare Oberfläche mit einer Fläche (A) und eine vorgebbaren Dicke (d) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Die Erfindung besteht dabei darin, dass das Produkt aus Dicke (d) und Dichte (r) des Paddels möglichst klein ist, und dass die Oberfläche (A) des Paddels (2) möglichst groß ist. Eine Änderung der Schwingungsfreqαenz (F Medium relativ zur Freqαenz im Vakuum F Vakuum) einer Schwinggabel lässt sich wie folgt beschreiben:
[0012] Dabei ist rMedium die Dichte des Mediums und K eine Empfindlichkeitskonstante, die von der Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit wie folgt abhängt: κ = cλl a + c^ d ■ p
[0013] Dabei ist a die Breite der Zinken der Schwinggabel, d ist die Dicke der Zinken und r ist die Dichte des Materials, aus welchem die Gabelzinken bestehen. Wie zu sehen, erhöht sich die Empfindlichkeit der Messung, wenn K groß bzw. wenn das Produkt aus der Dicke der Zinken und der Dichte des verwendeten Materials klein ist und die Breite der Zinken möglichst groß ist. Mit anderen Worten: Die Gabelzinken sollten so leicht und so dünn wie möglich sein. Insbesondere bei Gasen ist es wichtig, wenn die Empfindlichkeit möglichst groß ist. Umgekehrt erlaubt es auch ein Gas im Gegensatz beispielsweise zu einem Schüttgut, eine schwingfähige Einheit zu verwenden, die durch eine geringere Dichte auch weniger robust ist.
[0014] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass das
Produkt aus Dicke (d) und Dichte (r) bezogen auf die Fläche (A) des Paddels kleiner als 0,34 g/cm ist. Dies bedeutet, dass bei einer Fläche von 1 cm 2 das Produkt aus Dichte und dicker kleiner als 0,34 g/cm ist. [0015] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Dicke (d) des Paddels kleiner als 1 cm ist.
[0016] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Dicke (d) des Paddels kleiner als 1 Millimeter ist.
[0017] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Dichte (r) des Paddels kleiner als 8,5 g/cm3 ist. Dieser Wert gilt für die meisten Stahlsorten.
[0018] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass das Paddel im Wesentlichen aus einer Keramik oder aus einem Qas oder aus einem Kunststoff besteht. Bei diesen Werkstoffen ist eine geringe Dichte, aber gleichzeitig auch eine Robustheit gegeben.
[0019] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
[0020] Es zeigt:
[0021] Fig. 1: einen schematischen Messaufbau,
[0022] Fig. 2: einen Schnitt durch eine schwingfähige Einheit,
[0023] Fig. 3: eine graphische Darstellung der Freqαenzänderung in Abhängigkeit vom Druck für unterschiedliche Dicken der Paddel, und
[0024] Fig. 4: eine Darstellung wie in Fig. 3 für unterschiedliche Gase.
[0025] Die Fig. 1 zeigt einen Behälter 8, der mit einem Gasgemisch als Medium 7 gefült ist. Dieses Gas 7 wird durch ein Messgerät überwacht bzw. gemessen, welches eine mechanisch schwingfähige Einheit 1 aufweist. Die mechanisch schwingfähige Einheit besteht hier aus zwei Gabelzinken, welche an einer Membran 3 befestigt sind. An die Membran 3 schließt sich eine Antriebs-/Empfangseinheit 4 an, bei welcher es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Element handelt. Diese Antriebs- /Empfangseinheit 4 wird beispielsweise mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, was dazu führt, dass die Antriebs-/Empfangseinheit 4 mechanische Schwingungen ausführt, die über die Membran 3 auf die Gabelzinken übertragen werden. Die von der Antriebs-/Empfangseinheit 4 detektierten mechanischen Schwingungen werden wiederum in eine elektrische Wechselspannung übertragen, welche von der Auswerte-/Regeleinheit 5 ausgewertet wird. Aus den Schwingungen lässt sich beispielsweise die Frecμenz, die Amplitude oder auch die Phase als Kenngröße bestimmen. Die Kenngröße der Schwingungen ist dabei zumindest davon abhängig, um was für ein Gas es sich handelt, und welcher Druck herrscht. Ist eine diese beiden Größen bekannt, so lässt sich entsprechend die verbleibende Größe aus der gemessenen Kenngröße bestimmen. Hier ist ein Drucksensor 10 vorgesehen, welcher die Druck in dem Behälter 8 und somit den Druck des Mediums 7 misst. Dieser Druckmesswert wird an die Auswerte-/Regeleinheit 5 übergeben und dort kann somit ein Vergleich mit Kennlinien stattfinden, welche in einer Speichereinheit 6 hinterlegt sind. Somit ist es möglich, die Konzentration eines Gasgemisches oder allein schon die Anwesenheit eines bestimmten Gases im Behälter 8 zu erkennen. In der Speichereinheit 6 lassen sich auch Sollwerte hinterlegen, bei deren Überschreiten durch den gemessenen Wert beispielsweise ein Alarm oder ein Schaltsignal ausgegeben wird. Ist beispielsweise der Sollwert 0 und ergibt sich eine Konzentration größer 0 für ein Gas, so wird somit allein schon die Anwesenheit des Gases erkannt. Mit dieser Anordnung kann beispielsweise eine Leckage in einem Gastank erkannt werden, indem die Konzentrationsänderung des vorliegenden Gases bzw. das Einströmen eines anderen Gases bestimmt wird. Da es sich bei dem Medium vornehmlich um ein Gas handelt, ist auch die Temperaturabhängigkeit zu beachten, so dass hier auch ein Temperatursensor 9 vorgesehen ist.
[0026] Bei der Messung des Druckes durch das Messgerät ist sicherzustellen, dass die Zusammensetzung des Mediums gleich bleibt. Da hier dargestellte Drucksensor 10 würde somit beispielsweise der Redundanz oder der Validierung dienen.
[0027] Die Gabelzinken sind hier von der Seite gezeigt und haben dort eine Dicke d. In der Fig. 2 ist ein Paddel 2 von vorne gezeigt, so dass die Fläche A mit der Breite a zu sehen ist. Die Empfindlichkeit des Messgerätes lässt sich dadurch erhöhen, dass die Paddel 2 möglichst dünn sind und eine möglichst große Fläche A mit einer möglichst großen Breite a aufweisen. Weiterhin sollten die Paddel möglichst aus einem Material mit einer geringen Dichte r hergestellt sein. Eine hohe Empfindlichkeit ist eben besonders bei der Messung von Gasen wichtig.
[0028] Da der Sensor eine hohe Empfindlichkeit aufweist, kann er auch dazu dienen,
Wasserkondensat, Ablagerung von Eis oder Staubablagerung im Prozessbehälter 8 zu erkennen.
[0029] Die Abhängigkeit der relativen Freqαenzänderung vom Druck ist in der Fig. 3 für Luft bei 200C dargestellt. Je größer der Druck, desto stärker ändert sich die Schwingungsfreqαenz. Die Steigung dieser Kennlinie hängt dabei stark von der Dicke der Paddel 2 ab: Die Paddel haben von unten nach oben folgende Dicken: 0,3 mm, 0,5 mm, 1,0 mm und 2,1 mm. Wie zu sehen, ist ein dünneres Paddel 2 besser, da die Messempfindlichkeit größer ist. Wie auch schön zu erkennen, erlaubt es die Messung der Freqαenz der Schwingungen auf den herrschenden Druck zu schließen. Die Verschiebung der Kurven durch unterschiedliche Temperaturen ist dabei in der Praxis entsprechend einzurechnen. D.h. diese Kurven eigenen sich ideal für die Druckmessung.
[0030] In der Fig. 4 sind entsprechende Kurven für unterschiedliche Gase dargestellt. Von unten nach oben ist dies: Kühlmittel R22, Butan, Propan, CO2 und Luft. Ist somit der Druck bekannt und wird die Freqαenzänderung der Schwingungen gemessen, so lässt sich feststellen, welches Gas vorhanden ist. Somit ist es möglich, mit der Mes s Vorrichtung eine Gasdetektion dahingehend zu tätigen, dass die Anwesenheit eines bestimmten Gasen erkannt und dass auch die Konzentration eines Gasgemisches angegeben wird.
[0031] Bezugszeichenliste [0032]
Tabelle 1
[0033]

Claims

Ansprüche
[0001] Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums (7), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kennlinie hinterlegt wird, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch mindestens de Abhängigkeit mindestens einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) vom Druck beschreibt, dass mindestens de Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, dass de bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie de Messgröße des Medums (7) bestimmt wird.
[0002] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße des
Medums (7), welches ein Gas oder ein Gasgemisch ist, der Druck des Medums bestimmt wird.
[0003] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße des
Medums (7) de Anwesenheit eines Gases und/oder eine Konzentration eines Gases innerhalb des Medums (7), welches ein Gasgemisch ist, bestimmt wird, dass mindestens der Druck des Medums (7) gemessen wird, dass de bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, welche de Abhängigkeit der Kenngröße vom Druck mindestens eines Gases und/oder vom Druck für mindestens eine Konzentration mindestens eines Gasgemisches beschreibt, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie das Gas und/oder de Konzentration des Gasgemisches bestimmt wird.
[0004] Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als
Kenngröße der mechanischen Schwingungen de Frequenz bestimmt wird.
[0005] Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass de
Temperatur des Medums (7) gemessen wird, und dass de gemessene Temperatur bei der Bestimmung der Messgröße einbezogen wird.
[0006] Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass de bestimmte Messgröße mit mindestens einem hinterlegten Sollwert verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der bestimmten Messgröße von dem hinterlegten Sollwert ein Signal erzeugt wird.
[0007] Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer
Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums (7), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), wobei de mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens ein Paddel (2) aufweist, welches aus einem vorgebbaren Material mit einer Dichte (r) besteht, welches eine vorgebbare Oberfläche mit einer Fläche (A) und eine vorgebbaren Dicke (d) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheil (4), welche de mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu Schwingungen anregt und welche de mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Dicke (d) und Dichte (r) des Paddels (2) möglichst klein ist, und dass de Oberfläche (A) des Paddels (2) möglichst groß ist.
[0008] Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus
Dicke (d) und Dichte (r) bezogen auf de Fläche (A) des Paddels (2) kleiner als 0,34 g/cm ist.
[0009] Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass de Dicke (d) des
Paddels (2) kleiner als 1 cm ist.
[0010] Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass de Dicke (d) des
Paddels (2) kleiner als 1 Millimeter ist.
[0011] Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass de Dichte (r) des
Paddels (2) kleiner als 8,5 g/cm3 ist.
[0012] Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das
Paddel (2) im Wesentlichen aus einer Keramik oder aus einem Glas oder aus einem Kunststoff besteht.
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