EP4639134A1 - Verfahren zur bestimmung und/oder überwachung der viskosität eines mediums sowie vibrationssensor - Google Patents

Verfahren zur bestimmung und/oder überwachung der viskosität eines mediums sowie vibrationssensor

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Publication number
EP4639134A1
EP4639134A1 EP23834017.8A EP23834017A EP4639134A1 EP 4639134 A1 EP4639134 A1 EP 4639134A1 EP 23834017 A EP23834017 A EP 23834017A EP 4639134 A1 EP4639134 A1 EP 4639134A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
medium
vibration
viscosity
oscillatable unit
mechanically oscillatable
Prior art date
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Pending
Application number
EP23834017.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Brengartner
Berthold Fuchs
Harald Bauer
Laura MIGNANELLI
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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 EP4639134A1 publication Critical patent/EP4639134A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—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
    • G01F23/22—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
    • 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
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for determining and/or monitoring the viscosity of a medium.
  • the invention also relates to a vibration sensor.
  • Mechanically vibrating units - e.g. vibrating forks - of vibration sensors are used, among other things, to determine a limit level of a medium in a tank.
  • a measured oscillation frequency is used to determine whether the oscillating unit is touched by a medium or not.
  • a damping level is determined from the difference between excitation frequencies in order to be able to detect buildup or corrosion in the case of vibrations in an uncovered state.
  • the object of the invention is to propose a method and a vibration sensor carrying out the method for determining or monitoring the viscosity of a medium.
  • the object is achieved by a method for determining and/or monitoring the viscosity of a medium with a vibration sensor, wherein the method comprises at least the following steps: that a mechanically oscillatable unit of the vibration sensor is excited to mechanical vibrations, that the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit are received, that it is determined from at least one measured value of a vibration quantity of the received mechanical vibrations whether the medium mechanically oscillatable unit covered, that in the event that the medium covers the mechanically oscillatable unit, it is determined from at least one measured value of a vibration quantity of the subsequently received mechanical vibrations whether the medium continues to cover the mechanically oscillatable unit, that in the event that the mechanically oscillatable unit is free from coverage by the medium, measured values of a vibration quality are determined from at least one measured value of a vibration quantity of the subsequently received mechanical vibrations, and that a statement about the viscosity of the medium is determined from a temporal development of the measured values of the vibration quality.
  • the mechanical vibrations of the mechanically vibratable unit of the vibration sensor are evaluated.
  • the mechanical vibrations are converted into electrical signals. This is done, for example, using piezo elements as part of a converter device.
  • Measured values of vibration variables are then determined from the signals.
  • the vibration variables are, for example, the amplitude, frequency or phase of the vibrations. In addition or alternatively, these can also be variables resulting from this, such as the vibration quality.
  • the measured values of the vibration variables are then in turn used to determine the measured values of the process variables of interest, such as coverage by the medium or viscosity.
  • Stored formulas and/or data sets, such as reference values are used to process the measured values of the vibration variables.
  • the process for determining and/or monitoring viscosity takes place in several consecutive steps or phases. It is assumed that the mechanically oscillating unit initially oscillates uncovered by the medium, e.g. in air. If the level of the medium changes and the medium covers the mechanically oscillating unit - which was previously still oscillating freely - this can be recognized from the characteristics of the oscillations. For this purpose, at least one measured value of a vibration quantity is evaluated. In a second phase, the oscillations that follow the time of coverage are used to determine whether coverage is still present. or whether the medium no longer covers the mechanically oscillating unit, i.e. whether the oscillating unit is oscillating freely and uncovered again.
  • a measurement value for the oscillation quality is determined as an oscillation variable from the oscillations that follow in the third phase.
  • the oscillation quality then makes it possible to determine a change in viscosity and/or to determine the value of the viscosity of the medium. This takes advantage of the fact that after the oscillating unit is covered by the medium and then released, medium continues to adhere to the oscillating unit and only detaches after a certain amount of time. For the oscillating unit, the transition to completely free oscillation is therefore delayed. Therefore, the viscosity can be deduced from the detachment behavior using the oscillation quality.
  • Phase 1 The oscillating unit oscillates in the uncovered state.
  • Phase 2 If the oscillating unit is covered by the medium, this can be determined from at least one oscillation variable. It is therefore recorded whether a change from "uncovered” to "covered” has taken place.
  • Phase 3 When the medium stops covering the object, this is also detected by the vibration size. The viscosity is determined from the subsequent behavior of the vibration size from the moment the medium stops covering the object until it starts swinging freely again. This means that the process of returning to the normal state of free swinging in the air is evaluated.
  • the medium it is therefore necessary for the medium to cover the oscillating unit and then for the covering to stop. If part of the medium remains on the mechanically oscillating unit, there is no covering by the medium itself. Covering by the medium means in particular that the medium is at such a level that the mechanically oscillating unit is below this level due to its dimensions and arrangement. If the covering stops, the level of the medium drops below the position of the oscillating unit. The process then involves monitoring how the medium drips off the mechanically oscillating unit.
  • One embodiment of the method includes that, in the event that the mechanically oscillatable unit is free from coverage by the medium, measured values of a vibration quality are only determined from the at least one measured value of the vibration size of the subsequently received mechanical vibrations if the mechanically oscillatable unit was covered by the medium for at least a predetermined coverage time and/or at least during a predetermined number of mechanical vibrations.
  • care is taken to ensure that the mechanically oscillatable unit has been in the medium for a sufficiently long time and has carried out mechanical vibrations. This is ensured by specifying a period of time or a number of vibrations to be completed.
  • the vibrations precondition the medium to a certain extent by the medium, which is preferably a liquid, experiencing a shear stress as a result of the vibration of the oscillatable unit.
  • the medium is thus moved in the second phase and thus conditioned in order to be able to measure reproducibly.
  • One embodiment of the method provides that the vibration quantity from which it is determined whether the medium covers the mechanically oscillatable unit is a frequency of the received vibrations. In this embodiment, it is deduced from the frequency of the received vibrations whether the medium covers the oscillatable unit.
  • the frequency is used to determine whether the medium continues to cover the oscillating unit.
  • One embodiment of the method involves determining a statement about the viscosity of the medium based on the temporal development of the measured values of the vibration quality up to a starting value. In this embodiment, it is evaluated how the vibration quality behaves in relation to a starting value after the expiration of coverage and non-coverage. For example, it is evaluated how the quality adapts to the starting value again.
  • the aforementioned starting value is specified in one embodiment.
  • the measured value of the starting value of the vibration quality is determined from the vibrations in the uncovered state. This starting value is therefore also suitable for the respective measuring conditions.
  • At least one measured value of a further vibration variable is used to determine the statement about the viscosity of the medium.
  • the further vibration variable is preferably the frequency of the mechanical vibrations.
  • the temporal progression of the frequency is evaluated in comparison to the free, uncovered, oscillating unit. This determines, for example, how quickly the initial value of the vibration frequency is reached.
  • a sharp-edged transition is an indication of a lower viscosity and a rounded transition is a sign of a higher viscosity.
  • the determined statement relates to the value of the viscosity of the medium.
  • the determined statement relates to the value range of the viscosity of the medium.
  • the determined statement relates to whether the viscosity of the medium has changed beyond a predefined tolerance range.
  • a change in viscosity is detected, so that the vibration sensor functions as a type of viscosity switch: A change in viscosity is displayed. Alternatively, a value or at least a range of values for the viscosity of the medium is determined. Values or ranges of values are therefore determined and output.
  • One embodiment of the method includes that in the case that the mechanically oscillatable unit is free from coverage by the medium, the received mechanical vibrations belong to a decay behavior of the vibrations of the mechanically oscillating unit. In this embodiment, after the end of coverage by the medium, the mechanically oscillating unit is no longer excited to vibrate, but only vibrations are received and evaluated.
  • the object is additionally achieved by a vibration sensor with a mechanically oscillatable unit (e.g. a tuning fork, a single rod or a membrane) and a control device for operating the mechanically oscillatable unit and for detecting vibrations of the oscillatable unit, wherein the control device (e.g. at least comprising a transducer device, which preferably has at least one piezo element, and an electronic device for processing electrical signals and for carrying out measuring sequences) is designed to carry out the method according to one of the preceding or following embodiments.
  • the control device e.g. at least comprising a transducer device, which preferably has at least one piezo element, and an electronic device for processing electrical signals and for carrying out measuring sequences
  • the vibration sensor is therefore capable of implementing the method. Alternatively, only the measurements are carried out by the vibration sensor and the evaluation is carried out in a unit that is, for example, separate from the process.
  • Fig. 1 shows an exemplary vibration sensor
  • Fig. 2 shows the course of the frequency of the oscillations and the quality of the oscillating circuit for a coating-free oscillating unit in the case of covering with water
  • Fig. 3 shows the course of frequency and quality for an oscillating unit loaded with a coating in the case of covering with water
  • Fig. 4 shows the course of frequency and quality for a coating-free oscillating unit in the case of covering with a highly viscous liquid
  • Fig. 5 shows the course of frequency and quality for an oscillating unit loaded with a coating in the case of covering with a highly viscous liquid.
  • Fig. 1 shows an example of a vibration sensor 10, which has a mechanically oscillatable unit 11, which is designed here as a tuning fork, and a control device 12.
  • a medium - not shown here - influences the vibration properties of the oscillatable unit 11 as soon as it touches the oscillatable unit 11.
  • the mechanically oscillatable unit 11 is excited to oscillate by the control device 12.
  • the control device 12 here therefore comprises a converter device such as a piezo element, as well as electronics that execute a measuring program and also evaluate the received vibrations or the resulting electrical signals.
  • Figures 2 to 5 show how the method allows the viscosity of a preferably liquid or flowable medium to be monitored or determined. Shown are examples of time courses of oscillation frequency (dashed line in each case) and quality (solid line in each case) of a mechanically oscillating unit 11 in different states (with or without a coating on it) influenced by different media (water or highly viscous medium).
  • the time in seconds is plotted on the x-axis.
  • the frequency in Hertz is plotted on the left y-axis and the unitless quality is plotted on the right y-axis.
  • Fig. 2 shows the temporal course of vibration frequency and vibration quality of a mechanically vibrating unit 11 without a coating.
  • the oscillating unit 11 oscillates in a dry first phase P1, e.g. in air, is immersed in water as a medium in an immersion phase P2 and then dries in the third phase P3.
  • a dry first phase P1 e.g. in air
  • the frequency almost immediately assumes the oscillation frequency of the dry state of P1 of just over 1100 Hz
  • the quality factor requires about 1000 seconds to reach an initial state with an oscillation quality factor of just over 120 as a starting value.
  • the quality factor shows a sensitivity to the presence of a water film which flows away drop by drop (gradations over time).
  • Fig. 3 shows the course of vibration frequency and vibration quality when immersed in water and in the presence of a coating, for example made of cement, on the mechanically vibratable unit 11.
  • the frequency very quickly reaches values above 1100 Hz in phase P2, whereas the quality remains at a value of around 70. It turns out that the quality is a good measure for detecting deposits.
  • Fig. 4 shows time courses of vibration frequency and quality of a mechanically vibrating unit 11 without coating when immersed in a viscous medium with a viscosity of approximately 1000 square millimeters per second.
  • the oscillation frequency returns quickly to values in the range of the unwetted state.
  • the transition is rounded and not as sharp-edged as with water as the medium.
  • the oscillation frequency approaches the starting value more slowly than in the case of Fig. 2.
  • the vibration quality shows an oscillation between values in the range between 50 and 80.
  • the oscillation is caused by dripping and running of the medium 21 on the oscillating unit 11 .
  • the quality allows a conclusion to be drawn about the viscosity of the medium.
  • Fig. 2 shows an almost adiabatic increase in the quality, which approaches a starting value.
  • Fig. 4 shows an oscillating behavior with valleys that become longer over time between the individual deflections. Therefore, a statement about the viscosity of the medium can be derived from the quality or the temporal behavior.
  • Fig. 5 shows the course of vibration frequency and vibration quality when immersed in the medium 21 and when a coating is present on the mechanically vibratable unit 11 - again by cement as an example.
  • the shape and course of the curves can depend on the properties of the mechanically oscillating unit. This relates, for example, to the geometry, the type of coating that may be present or the material of the mechanically oscillating unit. There can also be a dependency on the type and design of the converter unit and/or the type of vibration excitation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums mit einem Vibrationssensor (10). Aus den Schwingungen einer mechanisch schwingfähigen Einheit (11) des Vibrationssensors (10) wird ermittelt, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit (11) bedeckt. Ist dies der Fall, so wird aus anschließenden Schwingungen ermittelt, ob das Medium die Einheit (11) weiterhin bedeckt. Ist dies nicht der Fall, so wird aus einer zeitlichen Entwicklung der Schwingungsgüte eine Aussage über die Viskosität des Mediums ermittelt. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Vibrationssensor (10).

Description

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums sowie Vibrationssensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Vibrationssensor.
Mechanisch schwingfähige Einheiten - z. B. Schwinggabeln - von Vibrationssensoren (siehe beispielsweise die DE 10 2012 101 667 A1) werden unter anderem dazu verwendet, einen Grenzstand eines Mediums in einem Tank festzustellen.
Üblicherweise wird dabei anhand einer gemessenen Schwingfrequenz festgestellt, ob die schwingfähige Einheit von einem Medium berührt wird oder nicht.
So ist es beispielsweise auch möglich, den Zustand der mechanisch schwingfähigen Einheit selbst zu überwachen. In der DE 10 2011 075 113 A1 wird aus der Differenz von Erregerfrequenzen ein Dämpfungsgrad ermittelt, um bei Schwingungen im unbedeckten Zustand Ansatz oder Korrosion feststellen zu können.
Neben dem Füllstand gibt es weitere Prozessgrößen oder Eigenschaften eines Mediums, die es während eines Prozesses zu überwachen gilt. Dies ist beispielsweise die Viskosität des Mediums, welche in der Regel mit sehr aufwendigen Messapparaturen gemessen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen das Verfahren ausführenden Vibrationssensor für die Bestimmung oder Überwachung der Viskosität eines Mediums vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums mit einem Vibrationssensor, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: dass eine mechanisch schwingfähige Einheit des Vibrationssensors zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, dass die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen werden, dass aus mindestens einem Messwert einer Schwingungsgröße der empfangenen mechanischen Schwingungen ermittelt wird, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit bedeckt, dass in dem Fall, dass das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit bedeckt, aus mindestens einem Messwert einer Schwingungsgröße der anschließend empfangenen mechanischen Schwingungen ermittelt wird, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit weiterhin bedeckt, dass in dem Fall, dass die mechanisch schwingfähige Einheit frei von einer Bedeckung durch das Medium ist, aus mindestens einem Messwert einer Schwingungsgröße der anschließend empfangenen mechanischen Schwingungen Messwerte einer Schwingungsgüte ermittelt werden, und dass aus einer zeitlichen Entwicklung der Messwerte der Schwingungsgüte eine Aussage über die Viskosität des Mediums ermittelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit des Vibrationssensors ausgewertet. Dabei werden beispielsweise die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umgewandelt. Dies geschieht z. B. über Piezoelemente als Teil einer Wandlervorrichtung. Aus den Signalen werden dann Messwerte von Schwingungsgrößen ermittelt. Die Schwingungsgrößen sind z. B. Amplitude, Frequenz oder Phase der Schwingungen. Ergänzend oder alternativ kann es sich auch um sich daraus ergebende Größen wie z. B. die Schwingungsgüte handeln. Aus den Messwerten der Schwingungsgrößen werden dann wiederum die Messwerte der interessierenden Prozessgrößen wie z. B. Bedeckung durch das Medium oder eben die Viskosität ermittelt. Für die Verarbeitung der Messwerte der Schwingungsgrößen wird z. B. auf hinterlegte Formeln und/oder Datensätze wie z. B. Referenzwerte zurückgegriffen.
Das Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität erfolgt in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten oder Phasen. Es sei dabei davon ausgegangen, dass die mechanisch schwingfähige Einheit zunächst vom Medium unbedeckt, also z. B. in Luft schwingt. Ändert sich der Füllstand des Mediums und bedeckt das Medium die - vorher noch frei schwingende - mechanisch schwingfähige Einheit, so lässt sich dies anhand der Charakteristika der Schwingungen erkennen. Hierfür wird insbesondere mindestens ein Messwert einer Schwingungsgröße ausgewertet. Aus den Schwingungen, die sich dem Zeitpunkt der Bedeckung anschließen, wird in einer zweiten Phase ermittelt, ob weiterhin eine Bedeckung vorliegt oder ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit nicht mehr bedeckt, ob also die schwingfähige Einheit wieder frei und unbedeckt schwingt. Ist dies der Fall, so wird aus den - in der dritten Phase - folgenden Schwingungen ein Messwert für die Schwingungsgüte als eine Schwingungsgröße ermittelt. Die Schwingungsgüte erlaubt es dann, eine Änderung der Viskosität festzustellen und/oder den Wert der Viskosität des Mediums zu ermitteln. Dabei wird ausgenutzt, dass nach dem Bedecken der schwingfähigen Einheit durch das Medium und dem nachfolgenden Freiwerden weiterhin Medium an der schwingfähigen Einheit anhaftet und sich nur mit einer gewissen Zeit ablöst. Für die schwingfähige Einheit verzögert sich also der Übergang zum vollständigen freien Schwingen. Daher lässt sich aus dem Ablöseverhalten anhand der Schwingungsgüte auf die Viskosität schließen.
Der Ablauf der drei Phasen sei noch einmal mit anderen Worten beschrieben:
Phase 1 : Die schwingfähige Einheit schwingt im unbedeckten Zustand.
Phase 2: Wird die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt, so kann dies aus der mindestens einen Schwingungsgröße ermittelt werden. Es wird also erfasst, ob ein Wechsel von „Unbedeckt“ zu „Bedeckt“ stattgefunden hat.
Phase 3: Endet die Bedeckung durch das Medium, so wird dies ebenfalls anhand der Schwingungsgröße erkannt. Aus dem anschließenden Verhalten der Schwingungsgröße vom Moment „Ende der Bedeckung“ hin zum wieder freien Schwingen wird die Aussage über die Viskosität ermittelt. Es wird also ausgewertet, wie sich die Rückkehr zum Normalzustand des freien Schwingens in der Luft gestaltet.
Es ist somit erforderlich, dass das Medium die schwingfähige Einheit bedeckt und dass anschließend die Bedeckung wieder aufhört. Wenn ein Teil des Mediums an der mechanisch schwingfähigen Einheit verbleibt, ist dabei keine Bedeckung durch das Medium an sich vorhanden. Bedeckung durch das Medium bedeutet insbesondere, dass das Medium einen solchen Füllstand einnimmt, dass sich die mechanisch schwingfähige Einheit bedingt durch ihre Abmessungen und Anordnung unter diesem Füllstand befindet. Hört die Bedeckung auf, so sinkt der Füllstand des Mediums unter die Lage/Position der schwingfähigen Einheit. Anschließend wird überwacht, wie das Medium von der mechanisch schwingfähigen Einheit abtropft. Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass in dem Fall, dass die mechanisch schwingfähige Einheit frei von einer Bedeckung durch das Medium ist, nur dann aus dem mindestens einen Messwert der Schwingungsgröße der anschließend empfangenen mechanischen Schwingungen Messwerte einer Schwingungsgüte ermittelt werden, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens für eine vorgegebene Bedeckungszeit und/oder mindestens während einer vorgegebenen Anzahl von mechanischen Schwingungen von dem Medium bedeckt war. In dieser Ausgestaltung wird darauf geachtet, dass sich die mechanisch schwingfähige Einheit ausreichend lange in dem Medium befunden und dabei mechanische Schwingungen ausgeführt hat. Dies wird sichergestellt durch das Vorgeben eines Zeitraums oder eine Anzahl von zu absolvierenden Schwingungen. Durch die Schwingungen wird das Medium gewissermaßen vorkonditioniert, indem durch das Vibrieren der schwingfähigen Einheit das Medium, bei dem es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit handelt, eine Scherspannung erfährt. In dieser Ausgestaltung wird somit in der zweiten Phase das Medium bewegt und damit konditioniert, um reproduzierbar messen zu können.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es sich bei der Schwingungsgröße, aus der ermittelt wird, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit bedeckt, um eine Frequenz der empfangenen Schwingungen handelt. In dieser Ausgestaltung wird anhand der Frequenz der empfangenen Schwingungen abgeleitet, ob das Medium die schwingfähige Einheit bedeckt.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung wird aus der Frequenz ermittelt, ob das Medium weiterhin die schwingfähige Einheit bedeckt.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass anhand der zeitlichen Entwicklung der Messwerte der Schwingungsgüte hin zu einem Startwert eine Aussage über die Viskosität des Mediums ermittelt wird. In dieser Ausgestaltung wird ausgewertet, wie sich die Schwingungsgüte nach dem Ablaufen von Bedeckung und Nicht-Bedeckung in Verhältnis zu einem Startwert verhält. So wird beispielsweise ausgewertet, wie die Güte sich wieder an den Startwert anpasst. Der vorgenannte Startwert ist in einer Ausgestaltung vorgegeben. In einer alternativen Ausgestaltung wird aus den Schwingungen im unbedeckten Zustand der Messwert der Startwert der Schwingungsgüte ermittelt. Dieser Startwert ist somit auch passend für die jeweiligen Messbedingungen.
Gemäß einer ergänzenden Ausgestaltung des Verfahrens wird für die Ermittlung der Aussage über die Viskosität des Mediums mindestens ein Messwert einer weiteren Schwingungsgröße herangezogen wird. Bei der weiteren Schwingungsgröße handelt es sich vorzugsweise um die Frequenz der mechanischen Schwingungen. In dieser Variante wird somit der zeitliche Verlauf der Frequenz im Vergleich zur freien unbedeckten schwingfähigen Einheit ausgewertet. Dabei wird z. B. ermittelt, wie schnell der Ausgangswert der Schwingungsfrequenz erreicht wird. Alternativ oder ergänzend wird ermittelt, mit welcher Steigung sich die Frequenz dem Startwert der unbedeckten freien Schwingungen annähert. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass ein Übergang des Frequenzverlaufs vom bedeckten zum freien Zustand einen Rückschluss auf die Viskosität erlaubt. So ist ein scharfkantiger Übergang ein Hinweis auf eine geringere und ein abgerundeter Übergang ein Zeichen für eine höhere Viskosität.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die ermittelte Aussage sich darauf bezieht, welchen Wert die Viskosität des Mediums hat. Alternativ oder ergänzend bezieht sich die ermittelte Aussage darauf, in welchem Wertebereich die Viskosität des Mediums liegt. Ebenfalls alternativ oder ergänzend bezieht sich die ermittelte Aussage darauf, ob sich die Viskosität des Mediums über einen vorgebbaren Toleranzbereich hinaus geändert hat.
In einer Ausgestaltung wird also eine Änderung der Viskosität erkannt, sodass der Vibrationssensor als eine Art von Viskositätsschalter fungiert: Eine Änderung der Viskosität wird angezeigt. Alternativ wird ein Wert oder zumindest ein Wertebereich für die Viskosität des Mediums ermittelt. Es werden also Werte bzw. Wertebereiche ermittelt und ausgegeben.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass in dem Fall, dass die mechanisch schwingfähige Einheit frei von einer Bedeckung durch das Medium ist, die empfangenen mechanischen Schwingungen zu einem Abklingverhalten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit gehören. In dieser Ausgestaltung wird nach dem Ende der Bedeckung durch das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit nicht mehr zu Schwingungen angeregt, sondern es werden nur Schwingungen empfangen und ausgewertet.
Die Aufgabe wird ergänzend gelöst durch einen Vibrationssensor mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (z. B. eine Schwinggabel, ein Einstab oder eine Membran) und einer Steuervorrichtung zum Betreiben der mechanisch schwingfähigen Einheit und zum Erfassen von Schwingungen der schwingfähigen Einheit, wobei die Steuervorrichtung (z. B. mindestens umfassend eine Wandlervorrichtung, die vorzugsweise mindestens ein Piezoelement aufweist, und eine Elektronikvorrichtung zum Verarbeiten von elektrischen Signalen und zum Ausführungen von Messabläufen) derartig ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden oder folgenden Ausgestaltungen auszuführen. Der Vibrationssensor ist also dazu befähigt, das Verfahren umzusetzen. Alternativ erfolgen durch den Vibrationssensor nur die Messungen und die Auswertung erfolgt in einer z. B. vom Prozess abgesetzten Einheit.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Vibrationssensor,
Fig. 2 zeigt den Verlauf von Frequenz der Schwingungen und Güte des Schwingkreises bei einer von Belag freien schwingfähigen Einheit im Fall der Bedeckung mit Wasser,
Fig. 3 zeigt den Verlauf von Frequenz und Güte bei einer mit Belag belasteten schwingfähigen Einheit im Fall der Bedeckung mit Wasser,
Fig. 4 zeigt den Verlauf von Frequenz und Güte bei einer von Belag freien schwingfähigen Einheit im Fall der Bedeckung mit einer hochviskosen Flüssigkeit und
Fig. 5 zeigt den Verlauf von Frequenz und Güte bei einer mit Belag belasteten schwingfähigen Einheit im Fall der Bedeckung mit einer hochviskosen Flüssigkeit. Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Vibrationssensor 10, welcher eine mechanisch schwingfähige Einheit 11 , die hier als Schwinggabel ausgestaltet ist, und eine Steuervorrichtung 12 aufweist. Ein - hier nicht dargestelltes - Medium beeinflusst die Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Einheit 11 , sobald es die schwingfähige Einheit 11 berührt. Die mechanisch schwingfähige Einheit 11 wird durch die Steuervorrichtung 12 zum Schwingen angeregt. Die Steuervorrichtung 12 umfasst hier somit zum einen eine Wandlervorrichtung wie z. B. ein Piezoelement, als auch eine Elektronik, die ein Messprogramm ausführt und auch die empfangenen Schwingungen bzw. die sich daraus ergebenden elektrischen Signale auswertet.
Durch mehrmaliges Benetzen und Trocknen durch auftretende Füllstandschwankungen kann sich im Laufe der zeit ein Belag aus Medienrückständen auf der schwingfähigen Einheit 11 bilden. Dieser Belag äußert sich unter anderem in einer Verschiebung der Schwingungsfrequenzen hin zu geringeren Bereichen. Jedoch zeigt sich dieser Einfluss in der Regel langsam, also bei stärker ausgeprägten Belägen. Dies spricht für die Robustheit des Messverfahrens.
Bei den Abbildungen Fig. 2 bis Fig. 5 ist gezeigt, wie es das Verfahren erlaubt, die Viskosität eines vorzugweise flüssigen oder fließfähigen Mediums zu überwachen bzw. zu bestimmen. Gezeigt sind jeweils beispielhafte zeitliche Verläufe von Schwingfrequenz (jeweils gestrichelte Linie) und Güte (jeweils durchgezogene Linie) einer mechanisch schwingfähigen Einheit 11 in unterschiedlichen Zuständen (mit oder ohne Belag and ihr) beeinflusst durch verschiedene Medien (Wasser oder hochviskoses Medium). Auf der x-Achse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf der linken y-Achse ist die Frequenz in Hertz und auf der rechten y-Achse ist die einheitenlose Güte aufgetragen.
Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Schwingfrequenz und Schwingungsgüte einer mechanisch schwingfähigen Einheit 11 ohne Belag.
Die schwingfähige Einheit 11 schwingt in einer trockenen ersten Phase P1 z. B. in Luft, taucht in einer Eintauchphase P2 in Wasser als Medium ein und trocknet anschließend in der dritten Phase P3. Mit Trennung des Wassers von der schwingfähigen Einheit 11 , also beim Übergang vom bedeckten zum unbedeckten Zustand nimmt die Frequenz praktisch sofort die Schwingungsfrequenz des trockenen Zustands von P1 von etwas über 1100 Hz an, wohingegen die Güte ca. 1000 Sekunden benötigt, um einen Ausgangszustand mit einer Schwingungsgüte von etwas über 120 als Startwert zu erreichen. Die Güte zeigt eine Empfindlichkeit für das Vorliegen eines Wasserfilms, welcher tröpfchenweise (Abstufungen im Zeitverlauf) abfließt.
Bei der Fig. 3 sind Verläufe von Schwingungsfrequenz und Schwingungsgüte bei Eintauchen in Wasser und beim Vorliegen eines Belags, beispielsweise aus Zement, an der mechanisch schwingfähigen Einheit 11 gezeigt.
Die Frequenz erreicht nach dem Eintauchen in das Medium (das Eintauchen kann dabei darin besteht, dass die schwingfähige Einheit in ihrer Position verändert wird oder dass sich der Füllstand des Mediums ändert) in der Phase P2 sehr schnell Werte oberhalb von 1100 Hz, wohingegen die Güte auf einem Wert um die 70 herum verharrt. Es zeigt sich, dass die Güte ein gutes Maß für eine Belagserkennung ist.
In beiden Fällen (Fig. 2 und Fig. 3) zeigt sich ein ähnlicher Verlauf der Güte: es gibt zunächst einen starken Anstieg, dem ein Abschnitt mit einem relativ gleichbleibenden Wert folgt.
Die Fig. 4 zeigt Zeitverläufe von Schwingungsfrequenz und Güte einer mechanisch schwingfähigen Einheit 11 ohne Belag bei Eintauchen in ein viskoses Medium mit einer Viskosität von ca. 1000 Quadratmillimeter pro Sekunde.
Wie im Fall der Fig. 2 mit Wasser als Medium zeigt sich ein schnelles Rückkehren der Schwingungsfrequenz zu Werten im Bereich des unbenetzten Zustands. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der Übergang abgerundet und nicht so scharfkantig wie beim Medium Wasser ist. Überdies nähert sich die Schwingfrequenz langsamer als im Fall der Fig. 2 an den Startwert an.
Die Schwingungsgüte hingegen zeigt nach Trennen des Mediums 21 von der schwingfähigen Einheit 11 ein Pendeln zwischen Werten im Bereich zwischen 50 und 80. Das Pendeln ist verursacht durch Abtropfen und Nachlaufen des Mediums 21 an der schwingfähigen Einheit 11 . Gleichzeitig lässt sich erkennen, dass die Güte einen Rückschluss auf die Viskosität des Mediums zulässt. Im Fall von Wasser zeigt sich in der Fig. 2 ein fast adiabatischer Anstieg der Güte, der sich einem Startwert annähert. Dahingegen zeigt die Fig. 4 ein oszillierendes Verhalten mit zeitlich länger werdenden Tälern zwischen den einzelnen Ausschlägen. Daher kann aus der Güte bzw. aus dem zeitlichen Verhalten eine Aussage über die Viskosität des Mediums abgeleitet werden.
Bei der Fig. 5 sind Verläufe von Schwingungsfrequenz und Schwingungsgüte bei Eintauchen in das Medium 21 und Vorliegen eines Belags an der mechanisch schwingfähigen Einheit 11 - wieder durch Zement als Beispiel - gezeigt.
Im Unterschied zur Grafik der Fig. 4 verbleibt die Schwingungsgüte über einen weiten Zeitraum im Bereich von 40, also deutlich unterhalb der Schwingungsgüte im Fall ohne Zementbelag. Gleichwohl zeigt sich im Vergleich zur Fig. 3 ein deutliches unterschiedliches Verhalten, das den Rückschluss auf die Viskosität zulässt.
Generell ist zu beachten, dass die Form und der Verlauf der Kurven abhängig sein kann von Eigenschaften der mechanisch schwingfähigen Einheit. Dies bezieht sich z. B. auf die Geometrie, die Art einer ggf. vorhandenen Beschichtung oder auf das Material der mechanisch schwingfähigen Einheit. Es kann auch eine Abhängigkeit von der Art und Ausführung der Wandlereinheit und/oder der Art der Schwingungsanregung vorliegen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums mit einem Vibrationssensor (10), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: dass eine mechanisch schwingfähige Einheit (11) des Vibrationssensors (10) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, dass die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (11 ) empfangen werden, dass aus mindestens einem Messwert einer Schwingungsgröße der empfangenen mechanischen Schwingungen ermittelt wird, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit (11 ) bedeckt, dass in dem Fall, dass das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit (11 ) bedeckt, aus mindestens einem Messwert einer Schwingungsgröße der anschließend empfangenen mechanischen Schwingungen ermittelt wird, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit (11) weiterhin bedeckt, dass in dem Fall, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (11) frei von einer Bedeckung durch das Medium ist, aus mindestens einem Messwert einer Schwingungsgröße der anschließend empfangenen mechanischen Schwingungen Messwerte einer Schwingungsgüte ermittelt werden, und dass aus einer zeitlichen Entwicklung der Messwerte der Schwingungsgüte eine Aussage über die Viskosität des Mediums ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in dem Fall, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (11) frei von einer Bedeckung durch das Medium ist, nur dann aus dem mindestens einen Messwert der Schwingungsgröße der anschließend empfangenen mechanischen Schwingungen Messwerte einer Schwingungsgüte ermittelt werden, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit (11 ) mindestens für eine vorgegebene Bedeckungszeit und/oder mindestens während einer vorgegebenen Anzahl von mechanischen Schwingungen von dem Medium bedeckt war.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Schwingungsgröße, aus der ermittelt wird, ob das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit (11) bedeckt, um eine Frequenz und/oder eine Amplitude der empfangenen Schwingungen handelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest anhand der zeitlichen Entwicklung der Messwerte der Schwingungsgüte hin zu einem Startwert eine Aussage über die Viskosität des Mediums ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei für die Ermittlung der Aussage über die Viskosität des Mediums mindestens ein Messwert einer weiteren Schwingungsgröße - vorzugsweise der Frequenz - herangezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ermittelte Aussage sich darauf bezieht, welchen Wert die Viskosität des Mediums hat oder in welchem Wertebereich die Viskosität des Mediums liegt oder ob sich die Viskosität des Mediums über einen vorgebbaren Toleranzbereich hinaus geändert hat.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Fall, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (11) frei von einer Bedeckung durch das Medium ist, die empfangenen mechanischen Schwingungen zu einem Abklingverhalten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) gehören.
8. Vibrationssensor (10) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (11) und einer Steuervorrichtung (12) zum Betreiben der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) und zum Erfassen von Schwingungen der schwingfähigen Einheit (11), wobei die Steuervorrichtung (12) derartig ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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