EP4702321A1 - Vibronisches messgerät - Google Patents

Abstract

Im Rahmen der Erfindung wird die Funktionstüchtigkeit vibronischer Messgeräte (1) überprüft. Dabei wird die Phasenverschiebung (φ) der Anregesignale (AS1, AS2) geändert, mit welchen eine mechanisch schwingfähige Einheit (111) angeregt wird. Anhand der von der mechanisch schwingfähigen Einheit (111) empfangenen Empfangssignale (RS1, RS2) erfolgt die Überprüfung.

Description

Vibronisches Messgerät

Die Erfindung betrifft die Funktionalitätsprüfung bei vibronischen Messgeräten.

In der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise zur Messung von Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit oder Dielektrizitätswert dienen. Handelt es sich um die Messung eines Mediums in einem Behälter, so werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden.

Zur Grenzstandmessung werden beispielsweise Messgeräte eingesetzt, die auf dem vibronischen Messprinzip basieren. Ein solcher Messgeräte-Typ ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2012 101 667 A1 gezeigt: Grundlegend verwenden entsprechende Messgeräte vibronischen Sensoren mit einem mechanisch schwingfähigen Element, wie einer Schwinggabel, und einer hierzu rückgekoppelten Verstärker-Einheit (siehe z. B. auch die DE 100 50 299 A1). Für die Bestimmung der Viskosität eines Mediums wird beispielsweise in der WO 02/31471 A2 der Frequenz-Phasen-Verlauf verwendet. Es ist auch bekannt, Prozessvariablen anhand des Abklingverhaltens zu messen (siehe die DE 102 03 461 A1).

Für die Wandlung zwischen mechanischen Schwingungen und elektrischen Signalen ist ein Piezoelement oder ein vergleichbares Bauteil mechanisch an die Schwinggabel gekoppelt, sodass sie durch ein elektrisches Anregesignal mechanisch zum Schwingen versetzt werden kann. Aus den mechanischen Schwingungen wird ein elektrisches Empfangssignal erzeugt, dessen Frequenz derjenigen der Schwingungen entspricht.

Das Empfangssignal wird entweder an demjenigen Piezoelement abgegriffen, mittels welchem auch die mechanische Schwingung angeregt wird. In diesem Fall ist das Empfangssignal gemäß Stand der Technik entsprechend vom Anregesignal zu trennen. Alternativ kann auch ein separates, zweites Piezoelement, welches mechanisch ebenfalls entsprechend mit der Schwinggabel bzw. dem mechanisch schwingfähigen Element gekoppelt ist, als Ausgang für das Empfangssignal fungieren.

Der Signal-Ausgang der mechanisch schwingfähigen Einheit für das Empfangssignal wird signaltechnisch auf den Eingang der Verstärker-Einheit geführt, während der Ausgang der Verstärker-Einheit auf den Eingang für das elektrische Anregesignal an der Schwinggabel geschaltet ist. Sorgt die Verstärker-Einheit für eine konstante Phasenverschiebung zwischen dem eingehenden Empfangssignal und dem ausgehenden Anregesignal und wird für eine ausreichende Signalverstärkung gesorgt, so bildet sich ein Schwingkreis aus, bei dem die Frequenz des Anregesignals mit derjenigen des Empfangssignals übereinstimmt. Dabei hängt diese Frequenz einerseits von der Phasenverschiebung ab, welche von der Verstärker-Einheit vorgegeben wird (siehe z. B. die WO 2017/215875 A1). Andererseits wird die Frequenz von der Resonanz der Schwinggabel und damit von einer etwaigen Bedeckung der Schwinggabel mit demjenigen Medium, dessen Dichte bzw. Grenzstand zu bestimmen sind, beeinflusst. Dementsprechend lässt sich prinzipbedingt durch Messung der aktuellen Frequenz des Anregesignals bzw. des Empfangssignals ein etwaig erreichter Grenzstand und/oder die Dichte des Mediums bestimmen.

Das vibronische Messprinzip funktioniert fehlerfrei, sofern der Schwingkreis nicht durch äußere Störeinflüsse, wie Vibrationen oder elektromagnetische Störfelder überlagert wird. Vibrationen können beispielsweise durch den Betrieb der Prozessanlage entstehen, wie der Betrieb von Förderbändern und Pumpen. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass die hierzu korrespondierenden Störsignale das Anrege- bzw. Empfangssignal überlagern, wodurch die Grenzstand- bzw. Dichtemessung verfälscht werden kann. Problematisch ist dies insbesondere, wenn innerhalb der Prozessanlage, in welcher das Messgerät eingesetzt wird, nicht erkannt wird, dass das Messgerät diesbezüglich nicht mehr zuverlässig funktioniert. Je nach Land und Prozessanlage gelten diesbezüglich spezifische Vorgaben bzw. Zulassungsstufen für Feldgeräte, welche die Überprüfbarkeit der korrekten Funktion von Feldgeräten definieren, beispielsweise die im Rahmen der Normenreihe IEC 61508/IEC61511 definierten „Safety Integrity Level (SIL)“.

Unterschiedliche Testmöglichkeiten von Messgeräten sind im Stand der Technik bereits bekannt.

In der DE 20 2005 008 627 U1 wird ein Messgerät mit einer schwingfähigen Einheit und einer Funktionstesteinheit beschrieben. Die Funktionstesteinheit wirkt auf das von der schwingfähigen Einheit empfangene Signal ein und erzeugt daraus ein Testsignal, das von einer nachgeordneten Auswerteeinheit verarbeitet wird. Das Testsignal entspricht dabei einem definierten Messwert. Es wird also die der schwingfähigen Einheit nachgeordnete Elektronik überprüft. Um ebenfalls die Elektronik zu überprüfen, siebt es die EP 1 091 199 B1 vor, dass ein Signalgenerator ein Testsignal erzeugt.

Die DE 10 2019 131 485 A1 beschreibt die Überwachung einer Spule als Teil des Sensors. Die Spule wird mit einem Anregesignal beaufschlagt und das Empfangssignal wird ausgewertet. Es wird also eine Komponente als Teil der Wandlereinheit zwischen elektrischen Signalen und mechanischen Schwingungen überprüft. Gemäß der WO 2017/097528 A1 wird die mechanisch schwingfähige Einheit in einem Testmodus mit unterschiedlichen Frequenzen zum Schwingen angeregt, um aus den empfangenen Signalen auf Fehlzustände zu schließen. Die Verarbeitung von solchen Spektren, die sich durch einen Frequenzsweep ergeben, kann gemäß der DE 10 2021 129 416 A1 durch die Verwendung eines neuronalen Netzes erfolgen.

In der WO 2016/128217 A1 erfolgt die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit durch ein Signal, welches sich aus einem T rägersignal mit einer T räger-Frequenz und aus einem Modulationssignal mit einer Modulations-Frequenz ergibt. Das empfangene Signal besteht aus einem Trägersignal und einem Modulationssignal, die jeweils die Ermittlung einer Prozessgröße erlauben. Aus einer Phasenverschiebung zwischen den Modulationssignalen wird eine Dämpfung ermittelt, die anzeigen kann, ob z. B. Ansatz, Korrosion oder Alterseffekte aufgetreten sind.

In der DE 10 2016 120 326 A1 wird aus der zeitlichen Entwicklung der Güte des Schwingkreises, der die schwingfähige Einheit und ein Piezoelement umfasst, auf den Zustand des Schwingkreises geschlossen.

In der WO 95/20749 A1 wird während einer Testphase der Schwingkreis aus einer Verstärkerschaltung und der Wandlereinheit, die die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt und deren Schwingungen empfängt und in elektrische Signale umwandelt, geöffnet. Aus dem Abklingverhalten und insbesondere aus der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung und dem an der Wandlereinheit abgegriffenen Signal werden Fehler erkannt.

Die WO 2020/165560 A1 sieht vor, dass in einem Testmodus die mechanisch schwingfähige Einheit mit einem Anregesignal zu Schwingungen angeregt wird, dessen Frequenz in dem vorherigen Messbetrieb gemessen worden ist. Dies geschieht bei geöffnetem Schwingkreis. Aus der zeitlichen Entwicklung der Amplituden der empfangenen Signale wird aus einem Vergleich mit zugehörigen Schwellwerten auf den Funktionszustand des Messgeräts geschlossen.

Die DE 10 2004 050 494 A1 sieht vor, dass eine schwingfähige Einheit zu zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden angeregt wird. Eine der beiden Moden wird nicht durch das Medium beeinflusst und erlaubt daher die Überwachung des Sensors selbst.

Um das Vorliegen von Fehlern zu erkennen, werden gemäß der DE 10 2005 009 580 B4 die Amplituden und Frequenzen der Schwingungen ausgewertet und die dabei gewonnen Ergebnisse miteinander verglichen. Für die Überprüfung einer schwingfähigen Einheit sieht es die DE 103 18 445 A1 , dass eine Komponente der schwingfähigen Einheit manuell bedämpft werden kann. Es wird also gezielt ein Fehlerzustand der Mechanik erzeugt.

In der DE 10 2012 102 589 A1 wird durch das Durchfahren eines Frequenzbereichs, welcher höher als der im normalen Betrieb auftretende Frequenzbereich liegt, festgestellt, ob ein Unterbleiben von Schwingungen das Ergebnis einer Bedeckung oder einer Korrosion der schwingfähigen Einheit ist.

Für die Überwachung der Polarisation eines für den Antrieb der schwingfähigen Einheit verwendeten piezoelektrischen Elements wird in der DE 10 2017 130 530 A1 dessen Kapazität ermittelt und ausgewertet.

Haftet Material an der schwingfähigen Einheit an, so kann dies ebenfalls zu einem Fehlerzustand führen, da auch im eigentlich unbedeckten Zustand freie Schwingungen nicht möglich sind.

Um den vorgenannten Ansatz zu erkennen, definiert die DE 103 28 296 A1 einen Grenzwert für die Schwingfrequenz, dessen Unterschreiten einen Alarm auslöst. Die DE 10 2009 045 204 A1 sieht es vor, dass anhand des Amplitudenverlaufs der empfangenen Schwingungen bei einem Frequenzsuchlauf das Vorliegen von Ansatz erkannt werden soll.

Die DE 10 2012 101 667 A1 setzt sich mit Fremdvibrationen auseinander. Diese werden erkannt, indem die mechanisch schwingfähige Einheit ohne Anregung nur der Detektion von Schwingungen dient. Diese Idee verfolgt auch die DE 10 2016 124 740 A1 .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät bereitzustellen, das insbesondere im Hinblick auf etwaige Störungen auf seine korrekte Funktion überprüfbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Messgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Messgröße eines Mediums, mit einem vibronischen Sensor und einer Steuer-Einheit, wobei der vibronische Sensor eine mechanisch schwingfähige Einheit und eine Verstärker-Einheit aufweist, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit durch ein elektrisches Anregesignal mit einer Anrege-Schwingfrequenz anregbar ist und ein Empfangssignal mit einer Schwingfrequenz erzeugt, wobei die Verstärker-Einheit ausgelegt ist, das elektrische Anregesignal in Bezug zum Empfangssignal mit einer definierten Phasenverschiebung zu erzeugen und damit die mechanisch schwingfähige Einheit anzuregen, wobei die Steuer- Einheit ausgelegt ist, die Schwingfrequenz und/oder eine Amplitude des Empfangssignals zu ermitteln und anhand der ermittelten Schwingfrequenz und/oder der ermittelten Amplitude des Empfangssignals die Messgröße des Mediums zu bestimmen, wobei die Steuer-Einheit ausgelegt ist, die Verstärker-Einheit für eine Überprüfung des Messgeräts derart zu steuern, dass die Verstärker-Einheit mindestens zwei Anregesignale mit gleicher Signalstärke und unterschiedlichen vorgebbaren Phasenverschiebungen erzeugt, wobei die Steuer-Einheit ausgelegt ist, den Sensor in Bezug auf seine Funktionsfähigkeit abhängig davon zu beurteilen, wie sich die Amplituden und/oder Schwingfrequenzen der Empfangssignale infolge der unterschiedlichen Phasenverschiebungen verhalten, und wobei die Verstärker-Einheit und die mechanisch schwingfähige Einheit einen geschlossenen Schwingkreis bilden.

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Steuer-Einheit dadurch aus, dass sie die Verstärker- Einheit für eine Überprüfung des Messgeräts derart steuern kann, sodass die Phasenverschiebung des Anregesignals moduliert bzw. geändert wird. Ändert sich daraufhin das Empfangssignal so, wie man es ausgehend von der gezielten Änderung der Phasenverschiebung erwarten würde, so bedeutet dies, dass der Sensor zuverlässig funktioniert. Ändert sich das Empfangssignal nicht wie erwartet, so bedeutet dies, dass von dem mechanisch schwingfähigen Element Signale empfangen werden, die nicht auf die eigentlichen Schwingungen zurückgehen. So können beispielsweise Fremdschwingungen vorliegen. Es kann jedoch auch sein, dass es in dem Schwingkreis, den die mechanisch schwingfähige Einheit und die Verstärker-Einheit bilden, eine Störung gibt, dass also beispielsweise ein Kabelbruch, Depolarisation eines piezoelektrischen Elements als Teil der Wandlereinheit, Ablösung eines solchen piezoelektrischen Element oder ein sonstiger Schaden im Messgerät vorliegt. Dies wäre der Fall, dass der vibronische Sensor selbst nicht schwingen kann.

Für die Überprüfung wird die mechanisch schwingfähige Einheit mit mindestens zwei Anregesignalen insbesondere zu unterschiedlichen Zeiten und vorzugsweise alternierend oder abwechselnd beaufschlagt, die sich in Bezug auf ihre Phasenverschiebungen voneinander unterscheiden. Entsprechend wird für den fehlerfreien Fall erwartet, dass sich die Empfangssignale, die jeweils bei der Beaufschlagung mit den zugeordneten Anregesignalen empfangen werden, in Bezug auf ihre Amplituden und/oder Frequenzen voneinander unterscheiden. Die zwei Anregesignale haben dabei jeweils die gleiche Signalstärke.

In einer Ausgestaltung haben die zwei Anregesignale die gleiche Anrege-Schwingfrequenz fA.

Diese Art der Überprüfung erlaubt es vor allem, die Bestimmung und/oder Überwachung der Messgröße des Mediums unterbrechungsfrei fortzuführen. Liegt keine Störung vor, so kann aus den Empfangssignalen die Messgröße abgeleitet und/oder überwacht werden. Die Überprüfung des Messgeräts kann somit ohne Einbußen an der Messfähigkeit erfolgen und kann damit als eine Art von parallel zur Messung durchzuführender Live-Test bezeichnet werden. Bei der Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit mit den Anregesignalen ist jeweils der Schwingkreis aus mechanisch schwingfähiger Einheit und Verstärker-Einheit geschlossen, um eine Rückkopplungsschleife zu realisieren.

Für die Überprüfung des Sensors ist es möglich, die jeweiligen Empfangssignale relativ zueinander auszuwerten. Einzeln können die Empfangssignale in Bezug auf die Messgröße ausgewertet werden. Die Empfangssignale erfüllen damit eine Doppelfunktion.

In einer Ausgestaltung wird mehrfach der Wechsel zwischen einem ersten Anregesignal mit einer ersten Phasenverschiebung und einem zweiten Anregesignal mit einer zweiten Phasenverschiebung vorgenommen. Jeder Wechsel erlaubt die Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Messgeräts. Vorzugsweise findet der alternierende Wechsel zwischen den zwei Anregesignalen mit den unterschiedlichen Phasenverschiebungen ständig während der Benutzung des Messgeräts statt. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass z. B. bei besonderen Anwendungsbedingungen der Wechsel der Signalstärken ausgeschaltet werden kann und daher eben nicht ständig stattfindet.

In einer Ausgestaltung ist die Steuer-Einheit dafür ausgelegt, über eine Auswertung einer Hüllkurve der Empfangssignale die Funktionsfähigkeit zu beurteilen. In dieser Ausgestaltung werden vorzugweise mehrere Schwingungen der schwingfähigen Einheit bei anliegendem Anregesignal als Empfangssignal empfangen und über eine Hüllkurve ausgewertet.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuer-Einheit ausgelegt ist, den Sensor als nicht funktionsfähig einzustufen, sofern sich die Amplituden und/oder Schwingfrequenzen der Empfangssignale durch die unterschiedlichen Anregesignale nicht verändern. In dieser Ausgestaltung wird überprüft und ggf. signalisiert, ob sich das Empfangssignal nicht passend zu der Änderung des Anregesignals verändert.

In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuer-Einheit ausgelegt ist, den Sensor als funktionsfähig einzustufen, sofern sich die Amplituden und/oder Schwingfrequenzen der Empfangssignale durch die unterschiedlichen Anregesignale - ausreichend bzw. signifikant - verändern. Treten also im Empfangssignal die notwendigen Änderungen auf, so wird der Sensor als funktionsfähig eingestuft. Es werden also insbesondere keine Fremdvibrationen empfangen, die dominant gegenüber der eigentlichen Schwingung der mechanisch schwingfähigen Einheit im Schwingkreis sind. Es kann ebenfalls davon ausgegangen werden, dass es in dem Schwingkreis von Verstärker-Einheit und mechanisch schwingfähiger Einheit keine Unterbrechung, also insbesondere keinen Kabelbruch oder Ähnliches gibt. Generell wird also folgender Kern der Erfindung umgesetzt: Die Phasenverschiebungen der Anregesignale werden moduliert. Zeigt sich eine zugehörige Modulation auch in den Empfangssignalen, so ist das Messgerät und vor allem der Sensor aus mechanisch schwingfähiger Einheit und Verstärker-Einheit in Ordnung. Daher können auch aus den Empfangssignalen die Messgröße zuverlässig bestimmt oder überwacht werden. Bei einer Modulation der Phasenverschiebungen der Anregesignale wäre die zugehörige Modulation die Änderung der Amplituden und/oder der Schwingfrequenzen der Empfangssignale. Zeigt sich jedoch keine Modulation oder nicht die zughörige in den Empfangssignalen, so liegt ein Fehler vor, der verhindert, dass die mechanisch schwingfähige Einheit auf der Resonanzfrequenz schwingt, die sich bedingt durch den Schwingkreis und in Abhängigkeit vom Medium eigentlich einstellen müsste. Dies wird beispielsweise entsprechend signalisiert.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuer-Einheit ausgelegt ist, für die Beurteilung des Sensors eine relative Amplitudenänderung und/oder Frequenzänderung der Empfangssignale zu verwenden. Es sind somit keine Absolutmessungen erforderlich. Eine relative Amplitudenänderung ist beispielsweise die Differenz zwischen den Amplituden der beiden Empfangssignale bezogen auf eine der beiden Amplituden.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Phasenverschiebungen so vorgegeben sind, dass die Beträge der Differenzen zwischen den Phasenverschiebungen und 90° unterschiedlich sind. Bei dieser Ausgestaltung wird darauf Rücksicht genommen, dass sich der Verlauf der Amplituden der Empfangssignale in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal symmetrisch zu der Phasenverschiebung von 90° verhält. Bei einer Phasenverschiebung von 90° ist die Amplitude maximal. Eine Änderung der Phasenverschiebung auf beispielsweise 80° (= 90° - 10°) hat daher die gleiche Reduktion der Amplitude relativ zur Amplitude bei 90° zur Folge wie das Setzen der Phasenverschiebung auf 100° (= 90° + 10°). Daher ist in dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass die Beträge der Differenzen zwischen den Phasenverschiebungen und 90° ungleich sind, also beispielweise 80° und 95°.

Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel, einen Einstab oder um eine Membran.

Gemäß Stand der Technik kann die Steuer-Einheit bei entsprechender Auslegung anhand der Frequenz des Empfangssignals bzw. des Anregesignals als Messgröße die Dichte des Mediums und/oder einen oberen bzw. unteren Grenzstand, also allgemein den Füllstand des Mediums in einem Behälter bestimmen. Die Frequenzauswertung findet vorzugsweise bei Flüssigkeiten als Medium statt. Die Steuer-Einheit ist in einer Ausgestaltung als integraler Bestandteil des Sensors ausgelegt. Alternativ fungiert eine Prozessleitstelle oder ein dezentraler Server als Steuer-Einheit. Allgemein wird unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung oder Gerätschaft oder Komponente verstanden, die für ihren Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine (halbleiterbasierte) Digitalschaltung wie einem FPGA handeln.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Gezeigt wird:

Fig. 1 : eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Messgerätes an einem Behälter,

Fig. 2: der Schwingkreis des Messgerätes in der Darstellung als elektrischer Schaltkreis und

Fig. 3: ein Graph für den Zusammenhang zwischen Phasenverschiebung und Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz.

Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist in Fig. 1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Dabei befindet sich in dem Behälter 2 ein Medium 3, wobei beispielsweise dessen Dichte zu bestimmen oder eine Füllstandsänderung in Bezug auf einen Grenzstandes zu erfassen ist. Bei dem Medium 3 kann es sich um Flüssigkeiten oder Schüttgüter handeln.

Das Messgerät 1 ist hier beispielhaft mit einer abgesetzten Steuer-Einheit 12, zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber kann der jeweilige Messwert übermittelt oder eine Änderung angezeigt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden. Alternativ sind die Steuer-Einheit 12 und der Sensor 11 integrale Komponenten eines Messgeräts 1.

Zur Messung ist das Messgerät 1 seitlich an einem Anschluss des Behälters 2, wie bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Im Falle einer zu bestimmenden Dichte muss das Messgerät 1 in Bezug zur Behälterhöhe derart angeordnet sein, dass zumindest zum Zeitpunkt der Messung die Bedeckung des Messgerätes 1 bzw. dessen Schwinggabel 111 mit Medium 3 sichergestellt ist. Im Falle einer Grenzstandmessung ist das Messgerät 1 horizontal auf derjenigen Höhe des Behälters 2 anzuordnen, welcher dem zu detektierenden Grenzstand entspricht. Die Funktionsweise des Messgeräts 1 wird anhand der schematischen Schaltung einer beispielhaften Ausgestaltung in Fig. 2 erläutert.

Dargestellt ist ein vibronischer Sensor 11 , welcher als mechanisch schwingfähiges Element die Schwinggabel 111 und eine hierzu rückgekoppelte Verstärker-Einheit 112 umfasst. Dabei kann die Verstärker-Einheit 112 beispielsweise auf zumindest einem Operationsverstärker basieren. Zur mechanischen Anregung ist an die Schwinggabel 111 zumindest ein erstes Piezoelement 1111 gekoppelt. Hierdurch wird bei Beaufschlagen des ersten Piezoelementes 1111 mit einem elektrischen Anregesignal AS1 , AS2 die Schwinggabel 111 mechanisch mit der entsprechenden Frequenz fR in Schwingung versetzt. Zudem verfügt die Schwinggabel 111 über ein zweites Piezoelement 1112. Hierdurch wird durch das mechanische Schwingen der Schwinggabel 111 ein elektrisches Empfangssignal RS1 , RS2 erzeugt, dessen Frequenz fR wiederum derjenigen der mechanischen Schwingung entspricht. Die beiden Piezoelemente 1111 , 1112 bilden somit insgesamt eine Wandlereinheit.

Alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante ist es außerdem möglich, das Empfangssignal RS1 , RS2 am ersten Piezoelement 1111 abzugreifen, sodass kein zweites Piezoelement 1112 erforderlich ist. Voraussetzung hierzu ist, dass die Signale AS1 , RS1 bzw. AS2, RS2 voneinander getrennt werden, beispielsweise, indem ein Signal als Strom- und das jeweils andere Signal als Spannungssignal betrachtet wird.

Das von der Schwinggabel 111 ausgehende Empfangssignal RS1 , RS2 wird signaltechnisch auf einen Eingang 1121 der Verstärker-Einheit 112 geführt, während der Ausgang 1122 der Verstärker-Einheit 112 auf das erste Piezoelement 1111 bzw. den Eingang für das elektrische Anregesignal AS1 , AS2 an der Schwinggabel 111 geschaltet ist. Es ergibt sich somit eine geschlossene Rückkoppelschleife.

Die Verstärker-Einheit 112 stellt eine konstante Phasenverschiebung cp zwischen dem eingehenden Empfangssignal RS1 , RS2 und dem ausgehenden Anregesignal AS1 , AS2 her und weist einen konstanten oder geregelten Verstärkungsfaktor auf. Das heißt, die Amplitude AR des Empfangssignals RS1 , RS2 wird verstärkt und am Ausgang 1122 der Verstärker- Einheit 112 ausgegeben. Durch die Verstärkung und die auf einen konstanten Wert geregelte oder durch entsprechende Filter vorgegebene Phasenverschiebung cp bildet sich entsprechend der Schwingkreis 11 aus, sodass die Frequenz fR des Anregesignals AS1 , AS2 mit derjenigen des Empfangssignals RS1 , RS2 übereinstimmt.

Dabei hängt die Frequenz fR einerseits von der Phasenverschiebung cp ab, welche von der Verstärker-Einheit 112 vorgegeben wird. Andererseits wird die Frequenz fR zudem von der Resonanzschwingung der Schwinggabel 111 bestimmt, die von einer etwaigen Bedeckung der Schwinggabel 111 mit Medium 2 abhängt. Dementsprechend lässt sich durch Messung der aktuellen Frequenz fR des Anregesignals AS1 , AS2 bzw. des Empfangssignals RS1 , RS2 ein etwaig erreichter Grenzstand und/oder die Dichte des Mediums 2 bestimmen bzw. überwachen.

Die Graphen der Fig. 3 zeigen die Abhängigkeiten zwischen Phasenverschiebung cp, Amplitude AR eines Empfangssignals RS1 , RS2 und Frequenz fR des jeweiligen Anregesignals AS1 , AS2.

Die Amplitude AR (durchgezogene Linie) hat ihr Maximum bei der Resonanzfrequenz fR,O, die sich in dem elektro-mechanischen Schwingkreis des Sensors ergibt, welcher aus der mechanisch schwingfähigen Einheit und der Verstärker-Einheit besteht. Die Resonanzfrequenz fR,0 ergibt sich dann, wenn die von der Verstärker-Einheit vorgegebene Phasenverschiebung 90° beträgt. Mit größerer oder kleinerer Frequenz fällt die Amplitude AR symmetrisch zu der Resonanzfrequenz fR,0 ab.

Die Phasenverschiebung cp hat in Abhängigkeit von der Frequenz fR einen umgekehrt S- förmigen Verlauf, wobei der Wendepunkte der Kurve bei 90° liegt. Dabei wirkt sich auch die Phasenverschiebung cp auf die Frequenz fR aus. Daher sollte bei einem funktionierenden Sensor die Änderung der Phase zu einer Änderung der Schwingfrequenz führen.

Gleichzeitig wirkt sich über den Zusammenhang von Phasenverschiebung cp und Amplitude AR des Empfangssignals die Phasenverschiebung cp auf die Amplitude AR aus. Hierfür sind drei unterschiedliche Phasenverschiebungen cp eingetragen: 120°, 90° und 60°. Bei 90° ist die Amplitude AR maximal. Bei 120° und 60° ist die Amplitude jeweils um den gleichen Betrag reduziert, da die Beträge der Differenzen der Phasenverschiebungen cp zu 90° gleich sind. Daher empfiehlt es sich, die Phasenverschiebungen cp so zu wählen, dass die Beträge unterschiedlich sind, um die Zustandsüberwachung zu realisieren.

Claims

Patentansprüche

1 . Messgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Messgröße eines Mediums (2), mit einem vibronischen Sensor (11) und einer Steuer-Einheit (12), wobei der vibronische Sensor (11) eine mechanisch schwingfähige Einheit (111) und eine Verstärker-Einheit (112) aufweist, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (111) durch ein elektrisches Anregesignal (AS1 , AS2) mit einer Anrege-Schwingfrequenz (fA) anregbar ist und ein Empfangssignal (RS) mit einer Schwingfrequenz (fR) erzeugt, wobei die Verstärker-Einheit (112) ausgelegt ist, das elektrische Anregesignal (AS1 , AS2) in Bezug zum Empfangssignal (RS) mit einer definierten Phasenverschiebung (cp1 , cp2) zu erzeugen und damit die mechanisch schwingfähige Einheit (111) anzuregen, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, die Schwingfrequenz (fR) und/oder eine Amplitude (AR) des Empfangssignals (RS) zu ermitteln und anhand der ermittelten Schwingfrequenz (fR) und/oder der ermittelten Amplitude (AR) des Empfangssignals (RS) die Messgröße des Mediums (2) zu bestimmen, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, die Verstärker-Einheit (112) für eine Überprüfung des Messgeräts (1) derart zu steuern, dass die Verstärker-Einheit (112) mindestens zwei Anregesignale (AS1 , AS2) mit gleicher Signalstärke und unterschiedlichen vorgebbaren Phasenverschiebungen (cp1 , cp2) erzeugt, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, den Sensor (11) in Bezug auf seine Funktionsfähigkeit abhängig davon zu beurteilen, wie sich die Amplituden (AR) und/oder Schwingfrequenzen (fR) der Empfangssignale (RS1 , RS2) infolge der unterschiedlichen Phasenverschiebungen (cp1 , cp2) verhalten, und wobei die Verstärker-Einheit (112) und die mechanisch schwingfähige Einheit (111) einen geschlossenen Schwingkreis bilden.

2. Messgerät nach Anspruch 1 , wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, die Verstärker-Einheit (112) derart zu steuern, dass die Verstärker-Einheit (112) im Wesentlichen ständig alternierend zwei Anregesignale (AS1 , AS2) mit gleicher Signalstärke und unterschiedlichen vorgebbaren Phasenverschiebungen (cp1 , cp2) erzeugt.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, über eine Auswertung einer Hüllkurve der Empfangssignale (RS1 , RS2) die Funktionsfähigkeit zu beurteilen.

4. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, den Sensor (1) als nicht funktionsfähig einzustufen, sofern sich die Amplituden (AR) und/oder Schwingfrequenzen (fR) der Empfangssignale (RS1 , RS2) durch die unterschiedlichen Anregesignale (AS1 , AS2) nicht verändern.

5. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, den Sensor (1) als funktionsfähig einzustufen, sofern sich die Amplituden (AR) und/oder Schwingfrequenzen (fR) der Empfangssignale (RS1 , RS2) durch die unterschiedlichen Anregesignale (AS1 , AS2) verändern.

6. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuer-Einheit (12) ausgelegt ist, für die Beurteilung des Sensors (11) eine relative Amplitudenänderung und/oder Frequenzänderung der Empfangssignale (RS1 , RS1) zu verwenden.

7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Phasenverschiebungen (cp1 , cp2) so vorgegeben sind, dass die Beträge der Differenzen zwischen den Phasenverschiebungen (cp1 , cp2) und 90° unterschiedlich sind.

8. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit (111) um eine Schwinggabel, einen Einstab oder um eine Membran handelt.