EP4716830A1

EP4716830A1 - VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG EINER MESSGRÖßE EINES MEDIUMS

Info

Publication number: EP4716830A1
Application number: EP24716108.6A
Authority: EP
Inventors: Nic Kaufmann; Mohammad Sadegh Ebrahimi; Tobias Brengartner; Berthold Fuchs; Harald Bauer; Laura MIGNANELLI
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2023-05-23
Filing date: 2024-03-26
Publication date: 2026-04-01
Also published as: WO2024240398A1; DE102023113474A1; CN121127731A

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Ermittlung einer Messgröße eines Mediums (4). Dabei wird eine mechanisch schwingfähige Einheit (2) so mit dem Medium (4) in Kontakt gebracht, dass es zumindest einen Teil der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) bedeckt. Dann wird die mechanisch schwingfähige Einheit (2) so positioniert, dass eine Tropfenbildung des Mediums (4) ermöglicht ist, und zu mechanischen Schwingungen angeregt. Für mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten Messwerte ermittelt. Ein sich daraus ergebendes zeitliches Verhalten wird im Hinblick auf die Messgröße ausgewertet.

Description

Verfahren zur Ermittlung einer Messgröße eines Mediums

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Messgröße eines Mediums.

Im Stand der Technik sind Vibrationssensoren bekannt, die z. B. als Schwinggabeln oder Einstäbe ausgeführt sind. Solche Sensoren verfügen über eine mechanisch schwingfähige Einheit, die von einer Antriebs-ZEmpfangseinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Die sich durch die Wechselwirkung mit einem zu vermessenden oder zu überwachenden Medium einstellenden Schwingungen werden von der Antriebs-ZEmpfangseinheit empfangen und einer Auswertung zugeführt. Für eine Messung wird beispielsweise ausgenutzt, dass sich die Schwingungsfrequenz oder die Amplitude ändert, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit von einem unbedeckten zu einem durch das Medium bedeckten Zustand übergeht. Dies erlaubt z. B. die Überwachung des Füllstands des Mediums in einem Behälter.

In der DE 10 2021 126 826 A1 sollen mit einer Schwinggabel unterschiedliche Medien anhand einer Kalibrierungsmessung erkannt werden. In einer Ausgestaltung wird die Kalibrierung vorgenommen, während ein Medium an dem Sensor anhaftet.

Die DE 102020 121 610 A1 bezieht sich auf eine Schwinggabel, bei der über einen optischen Abstandssensor beobachtet wird, ob Medium an der Gabel anhaftet.

Die DE 102014 115 693 A1 beschreibt eine Schwinggabel, deren Paddel im Hinblick auf das Abtropfverhalten optimiert sind.

Für intrinsische Größen eines Mediums, z. B. dessen Viskosität sind zumeist sehr aufwendige Messapparaturen erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem auch intrinsische Messgrößen eines Mediums möglichst einfach ermittelt werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Messgröße eines Mediums, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) dass eine mechanisch schwingfähige Einheit so mit dem Medium in Kontakt gebracht wird, dass das Medium zumindest einen Teil der mechanisch schwingfähigen Einheit bedeckt, b) dass die mechanisch schwingfähige Einheit so positioniert wird, dass eine Tropfenbildung des Mediums an der mechanisch schwingfähigen Einheit ermöglicht ist, c) dass die mechanisch schwingfähige Einheit zumindest während des Schritts b) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, d) dass für mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten Messwerte ermittelt werden, und e) dass ein zeitliches Verhalten der Messwerte, das sich aus den ermittelten Messwerten ergibt, im Hinblick auf die Messgröße ausgewertet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die mechanisch schwingfähige Einheit so in Kontakt mit dem Medium gebracht, dessen Messgröße ermittelt werden soll, dass das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit zumindest teilweise bedeckt. Dann wird die mechanisch schwingfähige Einheit so positioniert, dass eine Tropfenbildung des Mediums an der mechanisch schwingfähigen Einheit möglich ist. Bei dem Medium handelt es sich also insbesondere um ein fließfähiges Medium wie z. B. eine Flüssigkeit. In diesem Zustand, dass sich Medium an oder auf der mechanisch schwingfähigen Einheit befindet, wird die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen sind dabei abhängig von dem Medium, das sich an oder auf der mechanisch schwingfähigen Einheit befindet. Daher sind auch die Kenngrößen, die sich aus den empfangenen mechanischen Schwingungen ermitteln lassen, abhängig von der Wechselwirkung mit dem Medium. Kenngrößen sind z. B. Frequenz, Amplitude, Phase oder Güte. Wenigstens eine Kenngröße wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt, um das zeitliche Verhalten des Mediums an oder auf der mechanisch schwingfähigen Einheit zu erfassen. Insbesondere wird die Tropfenbildung bzw. das Abtropfen des Mediums erfasst, um daraus auf die letztendlich interessierende Messgröße des Mediums zu schließen. Ob sich Tropfen bilden oder nicht hängt dabei auch von den Eigenschaften des Mediums ab.

In einer Ausgestaltung wird eine weitere Größe des Mediums ermittelt. Diese weitere Größe des Mediums ist vorzugsweise dessen Temperatur. Hierfür ist z. B. ein Temperatursensor vorhanden.

Ergänzend oder alternativ wird zumindest eine weitere Kenngröße der Schwingungen ermittelt und für die Auswertung verwendet.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass im Schritt a) die mechanisch schwingfähige Einheit in eine Menge des Mediums in einem Behälter zumindest teilweise eingetaucht und anschließend - vorzugsweise vollständig - herausgezogen wird. Die mechanisch schwingfähige Einheit wird also durch ein Eintauchen mit dem Medium zumindest teilweise überzogen. Damit sich anschließend Tropfen bilden können, wird die mechanisch schwingfähige Einheit aus dem Medium wieder herausgezogen. In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die mechanisch schwingfähige Einheit vollständig aus dem Medium in dem Behälter durch eine Relativbewegung zwischen der mechanisch schwingfähigen Einheit und dem Behälter herausgezogen. Es wird also in einer Ausgestaltung die mechanisch schwingfähige Einheit aus dem Behälter gezogen. Alternativ wird der Behälter von der örtlich festen mechanisch schwingfähigen Einheit weggeführt. In einer weiteren Ausgestaltung können auch beide vorgenannten Varianten kombiniert werden.

Eine alternative Ausgestaltung beinhaltet, dass das Medium durch eine Mediumsleitung oder durch eine Sprayeinheit auf der mechanisch schwingfähigen Einheit aufgebracht wird.

Die Möglichkeit zur Tropfenbildung wird in einer Ausgestaltung dadurch unterstützt, dass im Schritt b) die mechanisch schwingfähige Einheit unter einem vorgebbaren Neigungswinkel zum Erdschwerefeld ausgerichtet wird. Die mechanisch schwingfähige Einheit wird somit in dieser Ausgestaltung vorzugsweise schräg angeordnet, sodass das Medium beispielsweise bis zum Stirnende der Einheit fließen und dort Tropfen bilden kann.

Die folgenden Ausgestaltungen widmen sich insbesondere der Auswertung der aus den Schwingungen ermittelten Kenngrößen.

So besteht eine Ausgestaltung darin, dass im Schritt e) Unstetigkeiten im zeitlichen Verhalten identifiziert werden. Bildet sich ein Tropfen und löst er sich von der mechanisch schwingfähigen Einheit, so ergibt sich damit auch eine sprungartige Änderung der Beeinflussung der mechanischen Schwingungen, was sich in einer Unstetigkeit der Kenngröße der Schwingungen äußert. Wird davon ausgegangen, dass sich die Tropfenbildung in Abhängigkeit von der interessierenden Messgröße einstellt, so dienen in dieser Ausgestaltung die Unstetigkeiten für die Ermittlung der Messgröße.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass im Schritt e) der Fall, dass innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums eine Änderung des Messwerts einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, als Abtropfmoment des Mediums bewertet wird, dass aus dem mindestens einen Abtropfmoment des Mediums eine Aussage über ein Abtropfverhalten des Mediums ermittelt wird, und dass die Aussage über das Abtropfverhalten mit hinterlegten Daten verglichen wird, um die Messgröße zu ermitteln. In dieser Ausgestaltung wird festgestellt, ob sich der Messwert der Kenngröße der Schwingungen in einem gewissen Zeitfenster über ein gewisses Maß heraus ändert. Dies bezieht sich in einer Variante insbesondere darauf, ob es eine sprunghafte Änderung gibt. Liegt eine solche Situation der starken Änderung der Messwerte vor, so wird dies als Abtropfmoment bewertet, d. h. es hat sich in diesem Zeitfenster ein Tropfen des Mediums von der mechanisch schwingfähigen Einheit gelöst. Aus dem mindestens einen Abtropfmoment oder vorzugweise auch aus mehreren Abtropfmomenten wird auf das Abtropfverhalten des Mediums an sich geschlossen. Ausgehend von dem so ermittelten Abtropfverhalten und unter Verwendung von passend hinterlegten Daten wird daraus die Messgröße des Mediums ermittelt. In einer alternativen oder ergänzenden Variante wird der Verlauf der Messwerte im Zeitfenster um die erkannten Abtropfmomente herum ausgewertet. Dies bezieht sich beispielsweise auf den Zeitraum vor einem Abtropfmoment. Alternativ oder ergänzend bezieht sich eine Ausgestaltung auf eine Dauer zwischen mehreren Abtropfmomenten. Vorzugsweise werden anhand der Messwerte und den identifizierten Abtropfmomenten mehrere Größen abgleitet und für die Auswertung herangezogen.

Das Verfahren findet vorzugweise Anwendung, um eine rheologische Messgröße des Mediums zu ermitteln. Diese Messgröße ist dabei wieder vorzugsweise die Viskosität des Mediums.

Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische und nicht maßstabsgerechte Messanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 zeigt die zeitliche Entwicklung der Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit bei einer Benetzung mit Wasser (a) und mit Silikonölen mit drei unterschiedlichen Viskositäten (b) bis (d).

Die Fig. 1 zeigt eine sogenannte Schwinggabel als Vorrichtung 1 zur Ermittlung der Messgröße des Mediums 4. Die beiden Gabelzinken der mechanisch schwingfähigen Einheit 2 werden zu mechanischen Schwingungen angeregt.

Hier ist angedeutet, dass die Vorrichtung 1 während der Ausführung des Verfahrens so relativ zum Erdschwerefeld angeordnet wird, dass die mechanisch schwingfähige Einheit 2 unter einem vorgebbaren Neigungswinkel schräg steht. Dies geschieht beispielsweise, nachdem die mechanisch schwingfähige Einheit 2 in das Medium 4 innerhalb des Behälters 3 eingetaucht und wieder herausgezogen worden ist. Die Schrägstellung befördert insbesondere das Abtropfen des Mediums 4, welches die mechanisch schwingfähige Einheit 2 zumindest teilweise bedeckt.

Zusätzlich ist ein Temperatursensor 5 vorhanden, der die Erfassung der Mediumstemperatur erlaubt. Die Messsignale der Vorrichtung 1 oder Daten bezüglich der Schwingungen sowie die Messergebnisse des Temperatursensors 5 werden einer Auswerteinheit 6 zugeführt, die die Messgröße des Mediums 4 ermittelt.

Das zeitliche Verhalten einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen in Abhängigkeit vom bedeckenden Medium zeigt die Fig. 2 mit Medien mit vier unterschiedlichen Viskositäten.

In der Fig. 2 a) bis d) ist jeweils die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit (y-Achse) in Abhängigkeit von der zeit (x-Achse, t/s) dargestellt. Hierfür wird jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Güte ermittelt.

Die Fig. 2 a) zeigt das Abtropfverhalten der Gabel, nachdem sie in Wasser eingetaucht wurde. Die Abbildungen Fig. 2 b) bis d) zeigen des Abtropfverhalten nach dem Eintauchen in Silikonöle mit einer Viskosität von ca. a. 1 000 mm²/s (Fig. 2 b)), 10 000 mm²/s (Fig. 2 c)) und 20 000 mm²/s (Fig. 2 d)). Die für die Messungen verwendete mechanisch schwingfähige Einheit in Form einer Schwinggabel hat in Luft eine Güte von ca. 3 300 mit einer Resonanzfrequenz bei ca. 1 130 Hz.

Wird die Gabel in die Silikonöle (Fig. 2 b) bis d)) oder in Wasser (Fig. 2 a)) eingetaucht, so sinkt die Güte auf einen Wert, welcher durch die Dichte der Medien bestimmt wird. Durch die Güte in Kombination mit der Frequenz der mechanischen Schwingungen und der Temperatur des Mediums wird hier beispielsweise auf die Dichte des Mediums geschlossen. Wird die Gabel ausgetaucht, so steigen die Frequenz sowie die Güte wieder an. Beide Werte erreichen jedoch nicht sofort wieder den Ausgangszustand, da sich beim Austauchen aus Wasser ein dünner Wasserfilm und bei dem Austauchen aus den Silikonölen ein Ölfilm auf der Gabel bildet.

Bei Wasser (Fig. 2 a)) lösen sich keine Tropfen ab und der Wasserfilm verdunstet nach einiger Zeit.

In den Silikonölen (Fig. 2 b) bis d)) lösen sich einzelne Tropfen. Gibt es in der Güte einen Tiefpunkt und direkt danach einen Hochpunkt, so bedeutet das, dass sich hier ein Tropfen abgelöst hat. Dies ist also ein Abtropfmoment, bei dem sich die Messwerte der Kenngröße in einem bestimmten Zeitraum über einen bestimmten Grenzwert hinaus verändern.

Nach dem Ablösen des Tropfens sinkt die Güte wieder, weil das Medium von einem entlang des Schwerefelds weiter oben auf der mechanisch schwingfähigen Einheit befindlichen Ort in Richtung Stirnseite nachfließt.

Diese besonderen Zeitpunkte im zeitlichen Verlauf sind in der Fig. 2 b) mit Pfeilen markiert. Dies sind (von links nach rechts): Startwert nach der Entnahme aus einem Reservoir mit dem Medium, ein lokales Maximum der Güte nach dem Ablösen eines Tropfens und der schlagartige Anstieg der Güte nach dem Lösen eines Tropfens in einem lokalen Minimum der Güte.

Deutlich wird, dass im zeitlichen Verlauf der Güte ein für das Medium charakteristisches Abtropfverhalten zu erkennen ist. Anhand der Dauer des Abtropfens und dem Verlauf dieser Abtropfkurve bzw. der Abtropfcharakteristik kann mittels geeigneter Algorithmen auf die Viskosität und die Dichte des als Messgrößen des Mediums geschlossen werden.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 mechanisch schwingfähige Einheit 3 Behälter

4 Medium

5 Temperatursensor

6 Auswerteeinheit

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Ermittlung einer Messgröße eines Mediums (4), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) dass eine mechanisch schwingfähige Einheit (2) so mit dem Medium (4) in Kontakt gebracht wird, dass das Medium (4) zumindest einen Teil der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) bedeckt, b) dass die mechanisch schwingfähige Einheit (2) so positioniert wird, dass eine Tropfenbildung des Mediums (4) an der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) ermöglicht ist, c) dass die mechanisch schwingfähige Einheit (2) zumindest während des Schritts b) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, d) dass für mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten Messwerte ermittelt werden, und e) dass ein zeitliches Verhalten der Messwerte, das sich aus den ermittelten Messwerten ergibt, im Hinblick auf die Messgröße ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei im Schritt a) die mechanisch schwingfähige Einheit (2) in eine Menge des Mediums (4) in einem Behälter (3) zumindest teilweise eingetaucht und anschließend - vorzugsweise vollständig - herausgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt b) die mechanisch schwingfähige Einheit (2) unter einem vorgebbaren Neigungswinkel zum Erdschwerefeld ausgerichtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Schritt e) Unstetigkeiten im zeitlichen Verhalten identifiziert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Schritt e) der Fall, dass innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums eine Änderung des Messwerts einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, als Abtropfmoment des Mediums (4) bewertet wird, wobei aus dem mindestens einen Abtropfmoment des Mediums (4) eine Aussage über ein Abtropfverhalten des Mediums (4) ermittelt wird, und wobei die Aussage über das Abtropfverhalten mit hinterlegten Daten verglichen wird, um die rheologische Messgröße zu ermitteln.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Viskosität des Mediums (4) als rheologische Messgröße ermittelt wird.