WO2002031471A2 - Device for determining and/or monitoring the viscosity of a medium in a container - Google Patents

Device for determining and/or monitoring the viscosity of a medium in a container Download PDF

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WO2002031471A2 PCT/EP2001/010009 EP0110009W WO0231471A2 WO 2002031471 A2 WO2002031471 A2 WO 2002031471A2 EP 0110009 W EP0110009 W EP 0110009W WO 0231471 A2 WO0231471 A2 WO 0231471A2
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Abstract

The invention relates to a device for determining and/or monitoring the viscosity of a medium in a container, comprising a device (2) that can oscillate, a drive/receiving device (4, 5, 6) and a control/evaluation device (8). The device (2) that can oscillate is mounted in a defined measuring position within the container or a device (2) that can oscillate is mounted in such a manner that it dips into the medium to a defined depth of immersion. The drive/receiving device (4, 5) induces oscillation of the device (2) that can oscillate and the drive/receiving device (4, 6) receives the oscillations of the device (2) that can oscillate. The aim of the invention is to use a vibration detector to determine and/or monitor the viscosity (θ) of a medium in a container. To this end, the control/evaluation device (8) determines the viscosity (θ) of the medium on the basis of the frequency-phase curve (f = g(f)) of the device (2) that can oscillate.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Device for determining and / or monitoring the viscosity of a
Mediums in einem BehälterMedium in a container
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, einer Anthebs-/Empfangseinheit und einer Regel- /Auswerteeinheit, wobei die schwingfähige Einheit in einer definierten Meßposition innerhalb des Behälters angeordnet ist bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht ist, daß sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, und wobei die Antriebs-/Empfangs-einheit die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt bzw. wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt.The invention relates to a device for determining and / or monitoring the viscosity of a medium in a container with an oscillatable unit, a lifting / receiving unit and a control / evaluation unit, the oscillatable unit being arranged in a defined measuring position within the container or wherein an oscillatable unit is attached such that it is immersed in the medium up to a defined immersion depth, and wherein the drive / receiver unit excites the oscillatable unit to oscillate, or wherein the drive / receiver unit vibrates the oscillatable unit receives.
Es sind bereits Vorrichtungen mit zumindest einem Schwingelement, sog. Vibrationsdetektoren, zur Detektion bzw. zur Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter bekannt geworden. Bei dem Schwing-element handelt es sich üblicherweise um zumindest einen Schwingstab, der an einer Membran befestigt ist. Die Membran wird über einen elektromecha-nischen Wandler, z. B. ein piezo-elektrisches Element, zu Schwingungen angeregt. Aufgrund der Schwingungen der Membran führt auch das an der Membran befestigte Schwingelement Schwingungen aus. Als sehr bekanntes Beispiel für einen Vibrationsdetektor sei an dieser Stelle der 'Liquiphant' genannt, der von der Anmelderin hergestellt und vertrieben wird.Devices with at least one oscillating element, so-called vibration detectors, for detecting or monitoring the fill level of a medium in a container have already become known. The vibrating element is usually at least one vibrating rod which is attached to a membrane. The membrane is an electromechanical transducer, for. B. a piezoelectric element excited to vibrate. Due to the vibrations of the membrane, the vibrating element attached to the membrane also carries out vibrations. A very well-known example of a vibration detector is the 'Liquiphant', which is manufactured and sold by the applicant.
Als Füllstandsmeßgeräte ausgebildete Vibrationsdetektoren nutzen den Effekt aus, daß die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des Schwingelements: Während das Schwingelement in Luft frei und ungedämpft seine (Resonanz-) Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplituden-änderung, also eine Verstimmung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung (üblicherweise wird zur Füllstandserkennung die Frequenz gemessen) läßt sich folglich ein eindeutiger Rückschluß auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter ziehen. Füllstandsmeßgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüllsicherungen oder zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes verwendet. Darüber hinaus wird die Dämpfung der Schwingung des Schwingelements auch von der Dichte des Mediums beeinflußt. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zwischen der Frequenzänderung und der Dichte des Mediums, so daß Vibrationsdetektoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung bestens geeignet sind.Vibration detectors designed as level measuring devices take advantage of the effect that the oscillation frequency and the oscillation amplitude depend on the respective degree of coverage of the oscillation element: While the oscillation element can carry out its (resonance) oscillations freely and undamped in air, it experiences a change in frequency and amplitude , an upset as soon as it is partially or completely immersed in the medium. On the basis of a predetermined change in frequency (usually the frequency is measured for filling level detection), it is consequently possible to draw a clear conclusion that the predetermined filling level of the medium in the container has been reached. Level gauges are used primarily as overfill protection or for the purpose of pump idle protection. In addition, the damping of the vibration of the vibrating element is also influenced by the density of the medium. Therefore, with a constant degree of coverage, there is a functional relationship between the frequency change and the density of the medium, so that vibration detectors are ideally suited for determining both the fill level and the density.
In der Praxis werden zwecks Überwachung und Erkennung des Füllstandes bzw. der Dichte des Mediums in dem Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und mittels zumindest eines piezoelektrischen Elements in elektrische Antwortsignale umgewandelt. Die elektrischen Antwortsignale werden anschließend von einer Auswerte-Elektronik ausgewertet. Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht die Auswerte-Elektronik die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude des Schwingelements und signalisiert den Zustand 'Sensor bedeckt' bzw. 'Sensor unbedeckt', sobald die Meßwerte einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvor-gang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.In practice, for the purpose of monitoring and recognizing the fill level or the density of the medium in the container, the vibrations of the membrane are recorded and converted into electrical response signals by means of at least one piezoelectric element. The electrical response signals are then evaluated by evaluation electronics. In the case of level determination, the evaluation electronics monitor the oscillation frequency and / or the oscillation amplitude of the oscillation element and signal the status 'sensor covered' or 'sensor uncovered' as soon as the measured values fall below or exceed a predetermined reference value. A corresponding message to the operating personnel can be made optically and / or acoustically. Alternatively or additionally, a switching operation is triggered; for example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsdetektor für die Bestimmung und/oder die Überwachung der Viskosität eines Mediums in einem Behälter einzusetzen.The invention has for its object to use a vibration detector for determining and / or monitoring the viscosity of a medium in a container.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Frequenz-Phase-Kurve der schwingfähigen Einheit die Viskosität des Mediums bestimmt. Die vorliegende Erfindung basiert darauf, daß die Dämpfung einer schwingfähigen Einheit abhängig ist von der Viskosität des Mediums, mit dem sie in Kontakt ist. Unter Viskosität versteht man bekanntlich die innere Reibung einer Flüssigkeit, welche durch Anziehungskräfte zwischen den Molekülen verursacht wird. Die Viskosität ist in hohem Maße abhängig von den Parametern Druck und Temperatur.The object is achieved in that the control / evaluation unit determines the viscosity of the medium on the basis of the frequency-phase curve of the oscillatable unit. The present invention is based on the fact that the damping of an oscillatable unit depends on the viscosity of the medium with which it is in contact. As is known, viscosity is the internal friction of a liquid, which is caused by attractive forces between the molecules. The viscosity is highly dependent on the parameters of pressure and temperature.
Die Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit, die in Medien mit unterschiedlichen Viskositäten aufgenommen worden sind, unterscheiden sich deutlich voneinander - wie anhand der in Fig. 1 dargestellten Graphen klar zu erkennen ist: Je geringer die Viskosität des Mediums ist, um so steiler fällt die Frequenz-Phase-Kurve ab. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Viskosität des Mediums anhand der Frequenzänderung, die bei zwei unterschiedlichen Phasenwerten auftritt, zu bestimmen. Es wird also bevorzugt keine Absolutmessung, sondern eine Relativmessung durchgeführt. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, werden hierzu entweder zwei Phasenwerte eingestellt und die zugehörige Frequenzänderung bestimmt, oder es wird ein vorgegebenen Frequenzband durchfahren und festgestellt, wenn zumindest zwei vorgegebene Phasenwerte erreicht werden. Anhand der zu den Phasenwerten korrespondierenden Frequenzen wird wiederum die Frequenzänderung und hieraus die Viskosität des Mediums bestimmt.The frequency-phase curves of an oscillatable unit that have been recorded in media with different viscosities differ significantly from one another - as can be clearly seen from the graphs shown in FIG. 1: the lower the viscosity of the medium, the steeper the frequency-phase curve drops. It has proven to be particularly advantageous Determine the viscosity of the medium based on the frequency change that occurs at two different phase values. It is therefore preferred not to perform an absolute measurement, but rather a relative measurement. As will be explained in more detail below, either two phase values are set and the associated frequency change is determined, or a predetermined frequency band is traversed and determined when at least two predetermined phase values are reached. The frequency change and the viscosity of the medium are determined from the frequencies corresponding to the phase values.
In Fig. 2 ist die Viskosität gegen die Frequenzänderung bei unterschiedlichen Phasenverschiebungen aufgetragen. Gewählt wurde ein logarithmischer Maßstab. Die Kurven lassen sich durch die folgende mathematische Formel beschreiben: log η = a • log Δ f + b, wobei a für alle Kurven nahezu gleich ist, während sich die Kurven im wesentlichen in der Konstanten b unterscheiden. Folglich spiegeln sich unterschiedliche Phasenverschiebungen in einer Parallelverschiebung der Frequenzdifferenz-Viskositätskurve entlang der Frequenzdifferenz-Achse wider. Der Vorteil der Messung der Frequenz-änderung anstelle der absoluten Frequenzmessung liegt in einer erhöhten Meßgenauigkeit und - wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird - im automatischen Eliminieren von Störgrößen, beispielsweise der Dichte. Die Frequenzänderung bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zeigt eine eindeutige Abhängigkeit von der Viskosität. Folglich ist es möglich, die Viskosität zu bestimmen, indem die Frequenzdifferenz bei zumindest zwei vorgegebenen Phasenwerten bestimmt wird.2, the viscosity is plotted against the frequency change with different phase shifts. A logarithmic scale was chosen. The curves can be described by the following mathematical formula: log η = a • log Δ f + b, where a is almost the same for all curves, while the curves differ essentially in the constant b. Consequently, different phase shifts are reflected in a parallel shift of the frequency difference viscosity curve along the frequency difference axis. The advantage of measuring the frequency change instead of the absolute frequency measurement lies in an increased measuring accuracy and - as will be described in detail below - in the automatic elimination of disturbance variables, for example the density. The frequency change for a given phase shift shows a clear dependence on the viscosity. Consequently, it is possible to determine the viscosity by determining the frequency difference for at least two predetermined phase values.
Der Einfluß der Dichte ist anhand der in Fig. 3 dargestellten Frequenz-Phase- Kurvenschar einer schwingfähigen Einheit in Medien mit unterschiedlichen Dichten visualisiert: Unterschiedliche Dichten führen zu einer Parallelverschiebung der Frequenz-Phase-Kurve entlang der Frequenzachse. Je höher die Dichte ist, um so niedriger ist die Schwingfrequenz bei gleichem Phasenwert. Die Form der Kurven selbst ist in allen Fällen nahezu identisch. Da erfindungsgemäß keine Absolutwerte, sondern Relativwerte gemessen werden, wird der Effekt, den eine sich ändernde Dichte auf die Messungen hat, automatisch eliminiert.The influence of density is visualized on the basis of the frequency-phase curve family shown in FIG. 3 of an oscillatable unit in media with different densities: Different densities lead to a parallel shift of the frequency-phase curve along the frequency axis. The higher the density, the lower the oscillation frequency with the same phase value. The shape of the curves themselves is almost identical in all cases. Since no absolute values but rather relative values are measured according to the invention, the effect that a changing density has on the measurements is automatically eliminated.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird als Antriebs-/Empfangseinheit ein Piezo-Antrieb eingesetzt. Piezoan-triebe, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, sind z. B. aus der EP 0 985 916 A1 bekannt geworden.According to a preferred development of the device according to the invention, a piezo drive is used as the drive / receiver unit. Piezo drives in In connection with the present invention can be used, for. B. from EP 0 985 916 A1.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Antriebseinheit die schwingfähige Einheit in einem vorgegebenen Schwingungsmode zu Schwingungen anregt, wobei es sich bei dem Schwingungsmode bevorzugt um den Grundmode der schwingfähigen Einheit handelt.According to an advantageous further development of the device according to the invention, it is provided that the drive unit excites the oscillatable unit to oscillate in a predetermined oscillation mode, the oscillation mode preferably being the basic mode of the oscillatable unit.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß der RegelVAuswerteeinheit eine Speichereinheit zugeordnet ist, in der Daten abgelegt sind, die die funktionale Beziehung zwischen der Frequenz und der Phase der Schwingungen der schwingfähigen Einheit bei unterschiedlichen Dämpfungsverhältnissen bzw. bei unterschiedlichen Viskositäten widerspiegeln. Bei den Daten kann es sich um Kennlinien, Formeln oder Meßwerte handeln.A preferred embodiment of the device according to the invention proposes that the control evaluation unit is assigned a memory unit in which data are stored which reflect the functional relationship between the frequency and the phase of the oscillations of the oscillatable unit with different damping ratios or with different viscosities. The data can be characteristic curves, formulas or measured values.
Bevorzugt stellt die RegelVAuswerteeinheit zumindest zwei voneinander hinreichend verschiedene Phasenwerte ein; nachfolgend bestimmt die Regel- /Auswerteeinheit die den Phasenwerten zugeordneten Frequenzen bzw. die entsprechende Frequenzänderung der Schwingungen der schwingfähigen Einheit und ermittelt durch Vergleich der zuvor festgestellten Frequenz-änderung und der abgespeicherten Daten die Viskosität des Mediums.The control evaluation unit preferably sets at least two sufficiently different phase values; The control / evaluation unit subsequently determines the frequencies assigned to the phase values or the corresponding frequency change in the vibrations of the oscillatable unit and determines the viscosity of the medium by comparing the previously determined frequency change and the stored data.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen die zumindest zwei Phasenwerte symmetrisch zu dem Phasenwert φ = 90°.According to a particularly favorable embodiment of the device according to the invention, the at least two phase values are symmetrical to the phase value φ = 90 °.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die RegelVAuswerteeinheit den Bereich, in dem die Frequenzen liegen, die zur Bestimmung der Viskosität herangezogen werden, so auswählt, daß die funktionale Beziehung zwischen den Phasenwerten und den Frequenzen im wesentlichen linear ist.An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the control evaluation unit selects the range in which the frequencies which are used to determine the viscosity are such that the functional relationship between the phase values and the frequencies is essentially linear.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die RegelVAuswerteeinheit zumindest zwei voneinander verschiedene Frequenzen ein; die den Frequenzen der Schwingungen der schwingfähigen Einheit zugeordneten Phasen zwischen Sende- und Antwortsignal werden anschließend ermittelt; in einem letzten Schritt bestimmt die Regel- /Auswerteeinheit durch Vergleich der ermittelten Phasenwerte und der abgespeicherten Phasenwerte die Viskosität des Mediums.According to an alternative embodiment of the device according to the invention, the control evaluation unit sets at least two frequencies that are different from one another; the phases associated with the frequencies of the vibrations of the oscillatable unit between the transmission and response signals then determined; In a last step, the control / evaluation unit determines the viscosity of the medium by comparing the determined phase values and the stored phase values.
Gemäß einer bevorzugten Variante der zuletzt genannten Alternative der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist der RegelVAuswerteeinheit ein Signalgenerator zugeordnet, der die Antriebseinheit so ansteuert, daß die schwingfähige Einheit sukzessive mit unterschiedlichen Schwingungs-frequenzen schwingt, wobei die Schwingungsfrequenzen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbandes liegen (- frequency sweep).According to a preferred variant of the last-mentioned alternative of the device according to the invention, the control evaluation unit is assigned a signal generator which controls the drive unit in such a way that the oscillatable unit oscillates successively with different oscillation frequencies, the oscillation frequencies being within a selected frequency band (- frequency sweep) ,
Weiterhin erlaubt es eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die schwingfähige Einheit als Universaldetektor auszubilden: So betreibt die Regel- /Auswerteeinheit die schwingfähige Einheit in einem ersten Betriebsmodus als Grenzschalter und in einem zweiten Betriebsmodus als Viskositätssensor. Der jeweilige Betriebsmodus wird von einem in der RegelVAuswerteeinheit enthaltenen Programm vorgegeben.Furthermore, a further development of the device according to the invention allows the oscillatable unit to be designed as a universal detector: the control / evaluation unit operates the oscillatable unit in a first operating mode as a limit switch and in a second operating mode as a viscosity sensor. The respective operating mode is specified by a program contained in the control unit.
Bevorzugt ist eine EingabeVAusgabeeinheit vorgesehen, über die Einstellungen an der Vorrichtung vorgenommen werden oder über die Information hinsichtlich der Meßwerte, die die Vorrichtung liefert, bereitgestellt wird. Zwecks Datenaustausch zwischen der schwingfähigen Einheit und einer entfernt angeordneten Kontrollstelle ist zumindest eine Busleitung vorge-sehen. Der Datenaustausch selbst kann mittels eines beliebigen Über-tragungsstandards erfolgen, z. B. Profibus PA, Fieldbus Foundation.An input / output unit is preferably provided, via which settings are made on the device or via which information regarding the measured values which the device delivers is provided. At least one bus line is provided for data exchange between the oscillatable unit and a remote control point. The data exchange itself can be carried out using any transmission standard, e.g. B. Profibus PA, Fieldbus Foundation.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated by the following drawings. It shows:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung der Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit bei unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten,1: a schematic representation of the frequency-phase curves of an oscillatable unit with different damping coefficients,
Fig. 2: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Viskosität von der Frequenzänderung graphisch wiedergibt,2: a diagram which graphically shows the dependence of the viscosity on the frequency change,
Fig. 3: ein Diagramm, das die Frequenz-Phase-Kurven bei unterschiedlichen Dichten des Mediums darstellt, Fig. 4: ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungs-gemäßen Vorrichtung,3: a diagram which shows the frequency-phase curves at different densities of the medium, 4 shows a block diagram of a first embodiment of the device according to the invention,
Fig. 5: ein Blockschaltbild der in Fig. 4 verwendeten Erregerschaltung,5 shows a block diagram of the excitation circuit used in FIG. 4,
Fig. 6: eine graphische Darstellung einer Frequenz-Phase-Kurve mit Visualisierung φeines 'frequency sweep' in zwei vorgegebenen Frequenzbändern und6: a graphic representation of a frequency-phase curve with visualization φ of a 'frequency sweep' in two predetermined frequency bands and
Fig. 7: eine Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.7 shows a block diagram of a second embodiment of the device according to the invention.
Fig. 1 zeigt die Darstellung von drei Frequenz-Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit 2 in Medien mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten ξ. Der Wendepunkt der drei Kurven liegt bei der Resonanzfrequenz fr, die im wesentlichen durch die Steifigkeit der Membran und die Masse des Schwingelements bestimmt ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt die Phase φ zwischen Antriebssignal und Antwortsignal der schwingfähigen Einheit 2 im Resonanzfall 90°. Im Falle einer geringen Dämpfung (Dämpfungskoeffizient ξ1) führen bereits geringfügige Frequenzänderungen df zu einem Phasen-sprung von 180° - die Phasenänderung erfolgt abrupt. Bei größeren Dämpfungskoeffizienten ξ2, ξ3 erfolgt der Phasenänderung von 0° auf 180° mehr oder weniger fließend. Innerhalb eines gewissen Frequenz- bzw. Phasenbereichs zeigen die Frequenz- Phase-Kurven einen linearen Verlauf, wobei die Steigung abhängig ist von der Dämpfung durch das Medium.Fig. 1 shows the representation of three frequency-phase curves of an oscillatable unit 2 in media with different damping coefficients ξ. The turning point of the three curves lies at the resonance frequency fr, which is essentially determined by the rigidity of the membrane and the mass of the vibrating element. As can be seen from FIG. 1, the phase φ between the drive signal and the response signal of the oscillatable unit 2 is 90 ° in the event of resonance. In the case of low damping (damping coefficient ξ1), even slight frequency changes df lead to a phase jump of 180 ° - the phase change takes place abruptly. With larger damping coefficients ξ2, ξ3 the phase change from 0 ° to 180 ° is more or less smooth. The frequency-phase curves show a linear course within a certain frequency or phase range, the slope being dependent on the attenuation by the medium.
In Fig. 2 ist schematisch die Abhängigkeit der Viskosität η von der Frequenzdifferenz df zwischen Antriebssignal und Antwortsignal in einem logarith-mischen Maßstab wiedergegeben. Die Kurvenschar stellt die Graphen bei unterschiedlichen Phasenverschiebungen df(φn- φm) mit n, m e N, n ≠ m dar. Die Frequenzänderung df bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung df(φn- φm) zeigt eine eindeutige Abhängigkeit von der Viskosität η. Folglich ist es möglich, die Viskosität η zu bestimmen, indem gemäß einer ersten alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die Frequenzdifferenz df bei zumindest zwei vorgegebenen Phasenwerten φ1 , φ2 gemessen wird. Der Einfluß der Dichte p ist anhand der in Fig. 3 dargestellten die Frequenz- Phase-Kurven einer schwingfähigen Einheit 2 in Medien mit unterschied-lichen Dichten p visualisiert: Unterschiedliche Dichten p führen zu einer Parallelverschiebung der Frequenz-Phase-Kurve entlang der Frequenzachse f. Je höher die Dichte p ist, um so niedriger ist die Schwingfrequenz bei gleichem Phasenwert φ. Die Form der Kurven selbst ist in allen Fällen nahezu identisch. Da erfindungsgemäß keine Absolutwerte, sondern bevorzugt Relativwerte (Frequenzänderungen bzw. Phasenänderungen) für die Auswertung der Viskosität η herangezogen werden, wird der Effekt, den eine sich ändernde Dichte p auf die Meßwerte hat, automatisch eliminiert.2 schematically shows the dependence of the viscosity η on the frequency difference df between the drive signal and the response signal on a logarithmic scale. The family of curves shows the graphs with different phase shifts df (φn- φm) with n, me N, n ≠ m. The frequency change df with a given phase shift df (φn- φm) shows a clear dependence on the viscosity η. It is consequently possible to determine the viscosity η by measuring the frequency difference df with at least two predetermined phase values φ1, φ2 according to a first alternative embodiment of the device 1 according to the invention. The influence of the density p is visualized on the basis of the frequency-phase curves of an oscillatable unit 2 shown in FIG. 3 in media with different densities p: Different densities p lead to a parallel shift of the frequency-phase curve along the frequency axis f , The higher the density p, the lower the oscillation frequency with the same phase value φ. The shape of the curves themselves is almost identical in all cases. Since, according to the invention, no absolute values, but rather relative values (frequency changes or phase changes) are used for the evaluation of the viscosity η, the effect that a changing density p has on the measured values is automatically eliminated.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu sehen. Gemäß dieser ersten Ausgestaltung werden sukzessive zwei vorgegebene Phasen φ1 , φ2 zwischen dem Antriebs-signal und dem Antwortsignal eingestellt. Die Einstellung der beiden Phasenwerte φ1 , φ2 erfolgt über die Erregerschaltung 9, die nachfolgend noch im Detail beschrieben wird. Anschließend werden die mit den Phasenwerten φ1 , φ2 ver-knüpften Frequenzwerte f1 , f2 bestimmt. Anhand der Frequenzänderung df = f2 — f1 wird nachfolgend die Viskosität η des Mediums unter Heranziehung von abgespeicherten Daten ermittelt.FIG. 4 shows a block diagram of a first embodiment of the device 1 according to the invention. According to this first embodiment, two predetermined phases φ1, φ2 are successively set between the drive signal and the response signal. The two phase values φ1, φ2 are set via the excitation circuit 9, which will be described in detail below. The frequency values f1, f2 linked to the phase values φ1, φ2 are then determined. Based on the frequency change df = f2 - f1, the viscosity η of the medium is subsequently determined using stored data.
Diese erste Methode zur Viskositätsbestimmung hat viel Ähnlichkeit mit der ' Methode, wie mittels eines Vibrationsdetektors das Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes festgestellt werden kann. Der einzige Unterschied besteht im Grunde genommen darin, daß bei der Füllstandsmessung lediglich die Phase der Eigenfrequenz bzw. der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 2 berücksichtigt wird, während bei der Viskositätsmessung zumindest zwei Phasenwerte φ1 , φ2 und die entsprechenden Frequenzen f1 , f2 , bzw. die entsprechende Frequenzänderung df = f1 -f2 der schwingfähigen Einheit 2 betrachtet werden.This first method of viscosity determination is very similar to the 'method as a predetermined filling level can be determined by a vibration detector to achieve. The only difference is basically that only the phase of the natural frequency or the resonance frequency of the oscillatable unit 2 is taken into account in the level measurement, while in the viscosity measurement at least two phase values φ1, φ2 and the corresponding frequencies f1, f2, or respectively corresponding frequency change df = f1-f2 of the oscillatable unit 2 can be considered.
Aufgrund dieses hohen Ähnlichkeitsgrades ist es auch relativ einfach möglich, eine schwingfähige Einheit 2 als Universalsensor für die Füllstands-, Dichte- und/oder Viskositätsmessung auszubilden. Der Füllstand wird -wie bereits erwähnt - üblicherweise durch Überwachung der Resonanzfrequenz fr ermittelt. Bevorzugt erfolgt die Bestimmung der Viskosität η, indem zwei voneinander verschiedene Phasenwerte φ1 , φ2 eingestellt und die entsprechenden Frequenzen bzw. die entsprechende Frequenzänderung df = f1 - f2 ermittelt wird. Die Frequenzänderung df = f 1 — f bei vorgegebenen Phasenwerten φ1 , φ2 ist funktional abhängig von der Viskosität η.Because of this high degree of similarity, it is also relatively easy to design an oscillatable unit 2 as a universal sensor for level, density and / or viscosity measurement. As already mentioned, the fill level is usually determined by monitoring the resonance frequency fr. The viscosity η is preferably determined by setting two mutually different phase values φ1, φ2 and the corresponding ones Frequencies or the corresponding frequency change df = f1 - f2 is determined. The frequency change df = f 1 - f with predetermined phase values φ1, φ2 is functionally dependent on the viscosity η.
Die schwingfähige Einheit 2 wird über die piezoelektrische Erreger-/ Empfangseinheit, die im gezeigten Fall aus einem scheibenförmgien piezoelektrischen Element 5, einer Antriebselektrode 6 und zwei Empfangselektroden 7 besteht, zu Schwingungen angeregt. Hierbei übernimmt das piezoelektrische Element 5 die Funktion eines Interfaces zwischen den mechanischen Teilen, also der Membran 4 und den Schwingelementen 3, und den elektronischen Teilen, Antriebselektrode 6 und Empfangselektroden 7, der schwingfähigen Einheit 2: Das piezoelektrische Element 5 setzt einerseits ein elektrisches Antriebssignal in mechanische Schwingungen um; anderer-seits wandelt es mechanische Schwingungen in ein elektrisches Antwort-signal. Es versteht sich von selbst, daß anstelle eines scheibenförmigen piezoelektrischen Elements 5 auch ein sog. Stapelantrieb eingesetzt werden kann.The oscillatable unit 2 is excited to vibrate via the piezoelectric excitation / reception unit, which in the case shown consists of a disk-shaped piezoelectric element 5, a drive electrode 6 and two reception electrodes 7. Here, the piezoelectric element 5 takes on the function of an interface between the mechanical parts, i.e. the membrane 4 and the vibrating elements 3, and the electronic parts, drive electrode 6 and receiving electrodes 7, of the vibratable unit 2: on the one hand, the piezoelectric element 5 sets an electric drive signal mechanical vibrations around; on the other hand, it converts mechanical vibrations into an electrical response signal. It goes without saying that, instead of a disk-shaped piezoelectric element 5, a so-called stack drive can also be used.
In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der in Fig. 4 verwendeten Erregerschaltung 9 dargestellt. Die Erregerschaltung 9 hat - wie aus dem in Fig. 5 gezeigten Blockschaltbild hervorgeht - mehrere Funktionen: Sie greift das Empfangs-signal Rx an den Empfangseiektroden 7 ab. Das Antwortsignal Rx wird über den Bandpaßfilter 13 geführt. Der Bandpaßfilter 13 hat bevorzugt eine sehr kleine ' Bandbreite, so daß nur noch die gewünschten Frequenzen bzw. die gewünschte Frequenz am Ausgang des Bandpaßfilters 13 vorhanden sind bzw. vorhanden ist. Das gefilterte Antwortsignal Rx wird anschließend dem Verstärker 14 zugeführt und verstärkt. In dem Phasenschieber 15 werden im gezeigten Fall zwei konstante Phasenwerte φ1 , φ2 eingestellt. Über den Verstärker 16 und den Tiefpaßfilter 17 wird das Antwortsignal auf die Antriebselektrode 6 als Antriebssignal Tx zurückgeführt und regt die schwingfähige Einheit 2 zu Schwingungen mit dem jeweils eingestellten Phasenwert φ1 ; φ2 an.FIG. 5 shows a block diagram of the excitation circuit 9 used in FIG. 4. As can be seen from the block diagram shown in FIG. 5, the excitation circuit 9 has several functions: it picks up the received signal Rx at the receiving electrodes 7. The response signal Rx is passed through the bandpass filter 13. The bandpass filter 13 preferably has a very small bandwidth, so that only the desired frequencies or the desired frequency are or are present at the output of the bandpass filter 13. The filtered response signal Rx is then fed to the amplifier 14 and amplified. In the case shown, two constant phase values φ1, φ2 are set in the phase shifter 15. Via the amplifier 16 and the low-pass filter 17, the response signal is fed back to the drive electrode 6 as the drive signal Tx and excites the oscillatable unit 2 to oscillate with the respectively set phase value φ1; φ2 on.
Von der Erregerschaltung 9 gelangt das Antwortsignal Rx zu dem Mikro-prozessor 10, der zu jedem Phasenwert φ1 ; φ2 die entsprechende Frequenz f1 ; f2 ermittelt. Nachfolgend wird die Frequenzänderung df = f2 - f1 bestimmt und mit entsprechenden Daten, die in der Speichereinheit 11 abgelegt sind, verglichen. Aufgrund des eindeutigen funktionalen Zusamennhangs zwischen der Frequenzänderung df und der Viskosität η läßt sich die jeweilige Viskosität η des Mediums ermitteln. Die ermittelte Viskosität η des Mediums kann beispielsweise über die EingabeVAnzeigeeinheit 12 dem Bedienpersonal zur Kenntnis gebracht werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, den ermittelten Viskositätswert zur Ansteuerung von Stellgliedern zu verwenden.The response signal Rx passes from the excitation circuit 9 to the microprocessor 10, which for each phase value φ1; φ2 the corresponding frequency f1; f2 determined. The frequency change df = f2-f1 is then determined and compared with corresponding data stored in the memory unit 11. Due to the clear functional relationship between the frequency change df and the viscosity η, the respective viscosity η des Determine the medium. The determined viscosity η of the medium can be brought to the operator's knowledge, for example, via the input / display unit 12. Of course, it is also possible to use the determined viscosity value to control actuators.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird die Frequenz f innerhalb vorgegebener Frequenzbänder geändert; die schwingfähige Einheit 2 wird also mit unterschiedlichen Frequenzen angetrieben (- frequency sweep). Den unterschiedlichen Frequenzen sind unterschiedliche Phasenwerte zugeordnet. Graphisch ist das kontinuierliche Durchfahren gewisser Frequenzbereiche in Fig. 6 darstellt. In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild dieser zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu sehen.According to an alternative embodiment of the device 1 according to the invention, the frequency f is changed within predetermined frequency bands; the oscillatable unit 2 is thus driven with different frequencies (- frequency sweep). Different phase values are assigned to the different frequencies. The continuous traversal of certain frequency ranges is shown graphically in FIG. 6. FIG. 7 shows a block diagram of this second embodiment of the device 1 according to the invention.
Bei dieser zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden während des 'frequency sweep' zwei Frequenzen f1 , f2 lokalisiert, die zu zwei fest vorgegebenen Phasenwerten φ1 , φ2 gehören. Konkret werden hierzu gewisse Frequenzbereiche Δf1 , Δf2 in kontinuierlichen Schritten durchfahren. Sobald die fest vorgegebenen Phasenwerte φ1 , φ2 gemessen werden, werden die zu den Phasenwerten φ1 , φ2 gehörigen Frequenzen f1 , f2 ermittelt. Aufgrund der Frequenzdifferenz df = f2 - f1 wird anschließend die Viskosität η des Mediums bestimmt.In this second embodiment of the device according to the invention, two frequencies f1, f2 are located during the 'frequency sweep', which belong to two predetermined phase values φ1, φ2. Specifically, certain frequency ranges Δf1, Δf2 are run through in continuous steps. As soon as the predetermined phase values φ1, φ2 are measured, the frequencies f1, f2 belonging to the phase values φ1, φ2 are determined. The viscosity η of the medium is then determined on the basis of the frequency difference df = f2 - f1.
Die schwingfähige Einheit 2 wird von einem Signalgenerator 19 mit Antriebssignalen Tx einer vorgegebenen Frequenz und bevorzugt einer vorgegebenen Amplitude erregt. Die Antriebssignale Tx werden einer Signalanpassungs-einheit 18 zugeführt, die die Signale derart aufbereitet, daß sie von der Empfangseinheit 21 gelesen werden können. Die Empfangseinheit 21 empfängt also die Antwortsignale Rx der schwingfähigen Einheit 2; ein Phasenmesser 22 bestimmt jeweils die entsprechende Phasenverschiebung zwischen Antriebs- und dem Antwortsignal. Die Steuereinheit 20 zeichnet für den gesamten Ablauf zur Ermittlung der Frequenzänderung df verantwortlich: Sie führt den Phasenvergleich aus, steuert die Frequenz des Signalgenerators 19 und berechnet schließlich die entsprechende Frequenzänderung df. Anhand der ermittelten Frequenzänderung df wird nachfolgend in dem Konverter 23 die Viskosität η des Mediums bestimmt. Hierzu werden abgespeicherte Tabellenwerte, Kennlinien oder Formeln herangezogen. BezugszeichenlisteThe oscillatable unit 2 is excited by a signal generator 19 with drive signals Tx of a predetermined frequency and preferably a predetermined amplitude. The drive signals Tx are fed to a signal adaptation unit 18, which processes the signals in such a way that they can be read by the receiving unit 21. The receiving unit 21 thus receives the response signals Rx of the oscillatable unit 2; a phase meter 22 determines the corresponding phase shift between the drive signal and the response signal. The control unit 20 is responsible for the entire process for determining the frequency change df: it carries out the phase comparison, controls the frequency of the signal generator 19 and finally calculates the corresponding frequency change df. Based on the determined frequency change df, the viscosity η of the medium is subsequently determined in the converter 23. Stored table values, characteristic curves or formulas are used for this. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 erfindungsgemäße Vorrichtung1 device according to the invention
2 schwingfähige Einheit2 oscillating unit
3 Schwingelement3 vibrating element
4 Membran4 membrane
5 Piezoelektrisches Material5 Piezoelectric material
6 Erregerelektrode6 excitation electrode
7 Empfängerelektrode7 receiver electrode
8 RegelVAuswerteeinheit8 control evaluation unit
9 Erregerschaltung9 excitation circuit
10 Mikroprozessor10 microprocessor
11 Speichereinheit11 storage unit
12 Anzeigeeinheit12 display unit
13 Bandpaßfilter13 bandpass filters
14 Verstärker14 amplifiers
15 Phasenschieber15 phase shifters
16 Verstärker16 amplifiers
17 Tiefpaßfilter17 low pass filter
18 Signalanpassungseinheit18 signal matching unit
19 Signalgenerator19 signal generator
20 Steuereinheit20 control unit
21 Signalempfänger21 signal receivers
22 Phasenmesser22 phase meter
23 Konverter23 converter
24 Busleitung24 bus line
25 Kontrollstelle 25 inspection body

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, einer Antriebs- /Empfangseinheit und einer RegelVAuswerteeinheit, wobei die schwingfähige Einheit in einer definierten Meßposition innerhalb des Behälters angeordnet ist bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht ist, daß sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, und wobei die Antriebs- /Empfangseinheit die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt bzw. wobei die AntriebsVEmpfangseinheit die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) anhand der Frequenz-Phase-Kurve (φ = g(f)) der schwingfähigen Einheit (2) die Viskosität (η) des Mediums bestimmt.1.Device for determining and / or monitoring the viscosity of a medium in a container with an oscillatable unit, a drive / receiver unit and a control evaluation unit, the oscillatable unit being arranged in a defined measuring position within the container or an oscillatable unit so it is appropriate that it is immersed in the medium up to a defined immersion depth, and the drive / receiving unit excites the oscillatable unit to vibrate or the drive receiving unit receives the vibrations of the oscillatable unit, characterized in that the control evaluation unit (8) uses the frequency-phase curve (φ = g (f)) of the oscillatable unit (2) determines the viscosity (η) of the medium.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (5, 6, 7) die schwingfähige Einheit (2) in einem vorgegebenen Schwingungsmode zu Schwingungen anregt, wobei es sich bei dem Schwingungsmode bevorzugt um den Grundmode der schwingfähigen Einheit (2) handelt.2. Device according to claim 1, characterized in that the drive unit (5, 6, 7) excites the oscillatable unit (2) to vibrate in a predetermined oscillation mode, the oscillation mode preferably being the basic mode of the oscillatable unit (2) is.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der AntriebsVEmpfangseinheit (5, 6, 7) um einen Piezo-Antrieb handelt, der in Kontakt mit der Membran (4) ist, an der das zumindest eine Schwingelement (3) befestigt ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the drive unit (5, 6, 7) is a piezo drive which is in contact with the membrane (4) on which the at least one oscillating element ( 3) is attached.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der RegelVAuswerteeinheit (8) eine Speichereinheit (11) zugeordnet ist, in der Daten abgelegt sind, die die funktionale Beziehung zwischen der Frequenz (f) und der Phase (φ) der Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) bei unterschiedlichen Dämpfungen (ξ) bzw. bei unterschiedlichen Viskositäten (η) widerspiegeln. 4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the control evaluation unit (8) is assigned a memory unit (11) in which data are stored which show the functional relationship between the frequency (f) and the phase (φ) reflect the vibrations of the oscillatable unit (2) with different damping (ξ) or with different viscosities (η).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) zumindest zwei voneinander hinreichend verschiedene Phasenwerte (φ1 , q>2) einstellt, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) die den Phasen (φ1 , φ2) zugeordneten5. The device according to claim 4, characterized in that the RegelVAuswerteinheit (8) sets at least two sufficiently different phase values (φ1, q> 2) that the RegelVAuswerteinheit (8) assigned to the phases (φ1, φ2)
Frequenzen (f 1 , f2) bzw. die entsprechende Frequenzänderung (df) derFrequencies (f 1, f2) or the corresponding frequency change (df) of the
Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) bestimmt und daß die RegelVAuswerteeinheit (8) durch Vergleich der ermitteltenDetermines vibrations of the oscillatable unit (2) and that the control evaluation unit (8) by comparing the determined
Frequenzänderung (df) mit abgespeicherten Daten die Viskosität (η) des Mediums ermittelt.Frequency change (df) with stored data determines the viscosity (η) of the medium.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei Phasenwerte (φ1 , φ2) symmetrisch zu dem Phasen-wert φ = 90° liegen.6. The device according to claim 5, characterized in that the at least two phase values (φ1, φ2) are symmetrical to the phase value φ = 90 °.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) den Bereich, in dem die Frequenzen (f) liegen, die zur Bestimmung der Viskosität (η) herangezogen werden, so auswählt, daß die funktionale Beziehung zwischen den Phasenwerten (φ) und den Frequenzen (f) im wesentlichen linear ist.7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the RegelVAuswerteinheit (8) selects the range in which the frequencies (f), which are used to determine the viscosity (η), so that the functional relationship between the Phase values (φ) and the frequencies (f) is essentially linear.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) zumindest zwei verschiedene Frequenzen (f1 , f2) einstellt, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) die den Frequenzen (f1 , f2) der Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) zugeordneten Phasenwerte (φ1 , φ2) bestimmt und daß die RegelVAuswerteeinheit (8) durch Vergleich der ermittelten Phasen-werte (φ1 , φ2) mit abgespeicherten Daten die Viskosität (η) des Mediums ermittelt.8. The device according to claim 4, characterized in that the RegelVAuswerteinheit (8) sets at least two different frequencies (f1, f2), that the RegelVAuswerteinheit (8) associated with the frequencies (f1, f2) of the vibrations of the oscillatable unit (2) Determines phase values (φ1, φ2) and that the control evaluation unit (8) determines the viscosity (η) of the medium by comparing the determined phase values (φ1, φ2) with stored data.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der RegelVAuswerteeinheit (8) ein Signalgenerator (19) zugeordnet ist, der die Antriebseinheit (6) so ansteuert, daß die schwingfähige Einheit (2) sukzessive mit unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen schwingt, wobei die Schwingungsfrequenzen innerhalb zumindest eines ausgewählten Frequenzbandes liegen.9. The device according to claim 8, characterized in that the RegelVAuswerteinheit (8) is assigned a signal generator (19) which controls the drive unit (6) so that the vibratable unit (2) successively vibrates with different vibration frequencies, the Vibration frequencies lie within at least one selected frequency band.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die RegelVAuswerteeinheit (8) die schwingfähige Einheit (2) in einem ersten Betriebsmodus als Grenzschalter und in einem zweiten Betriebsmodus als Viskositätssensor betreibt.10. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the RegelVAuswerteinheit (8) operates the oscillatable unit (2) in a first operating mode as a limit switch and in a second operating mode as a viscosity sensor.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 5, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine EingabeVAusgabeeinheit (12) vorgesehen ist, über die Einstellungen an der Vorrichtung (1) vorgenommen werden oder über die Information hinsichtlich der Meßwerte, die die Vorrichtung liefert, bereitgestellt wird.11. The device according to claim 1, 5, 8 or 10, characterized in that an input / output unit (12) is provided, via which settings are made on the device (1) or via the information relating to the measured values provided by the device becomes.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Busleitung (24) vorgesehen ist, über das die Regel- /Auswerteeinheit (8) mit einer entfernt angeordneten Kontrollstelle (25) kommuniziert. 12. The apparatus according to claim 4, characterized in that at least one bus line (24) is provided, via which the control / evaluation unit (8) communicates with a remotely located control point (25).
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