WO2006125722A1 - Verfahren zur bestimmung und/oder überwachung einer prozessgrösse - Google Patents

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WO2006125722A1
WO2006125722A1 PCT/EP2006/062131 EP2006062131W WO2006125722A1 WO 2006125722 A1 WO2006125722 A1 WO 2006125722A1 EP 2006062131 W EP2006062131 W EP 2006062131W WO 2006125722 A1 WO2006125722 A1 WO 2006125722A1
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signal
waveform
piezoelectric element
actual
response signal
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PCT/EP2006/062131
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Andreas Berger
Frank Wandeler
Achim Wiest
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
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    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves

Definitions

  • the invention relates to a method for determining and / or monitoring a process variable.
  • the process variable is preferably the volume or mass flow of a medium through a pipeline or through a channel.
  • Corresponding ultrasonic flowmeters are offered and sold by the applicant.
  • the process variable may also be the fill level of a filling material in a container, which is determined by means of an ultrasonic transit time method.
  • the method according to the invention can be used in all measuring devices in which ultrasound measuring signals are transmitted and received.
  • An in-line ultrasonic flowmeter is usually integrated in a pipeline in which a measuring medium flows.
  • Ultrasonic flowmeters operating according to the transit time difference method have at least one pair of ultrasound sensors which transmit and / or receive ultrasound measurement signals along defined sound paths.
  • a control / evaluation unit determines the volumetric and / or mass flow of the measuring medium in the pipeline on the basis of the difference between the propagation times of the measuring signals in the flow direction of the measuring medium and against the flow direction of the measuring medium.
  • the measuring medium may be a gaseous or a liquid medium.
  • clamp-on flowmeters are used, which are mounted on the outside of the pipeline and measure the volume or mass flow through the pipe wall.
  • Ultrasonic flowmeters of the type described above, which determine the volume or the mass flow, are widely used in process and automation technology.
  • Clamp-on flowmeters have the advantage of allowing the volume or mass flow in a container, e.g. in a pipeline, without any contact with the medium.
  • Clamp-on flowmeters are described, for example, in EP 0 686 255 B1, US Pat. No. 4,484,478, DE 43 35 369 C1, DE 298 03 911 U1, DE 4336370 C1 or US Pat. No. 4,598,593.
  • the ultrasound Measuring signals at a predetermined angle in the pipe in which the medium flows, irradiated or emitted from the pipe.
  • the position of the ultrasonic transducers on the measuring tube (inline) or on the pipe (clamp-on) depends on the inside diameter of the measuring tube and the speed of sound of the measuring medium.
  • the application parameters: pipe wall thickness and sound velocity of the piping material must also be taken into account.
  • Ultrasonic sensors arranged so that the continuous sound paths are guided through the central region of the pipe or the measuring tube.
  • the determined flow value thus reflects the mean flow rate of the medium to be measured.
  • this averaging is too inaccurate. Therefore, it has also become known to provide a plurality of sensor pairs distributed over the circumference on the measuring tube or on the pipeline, as a result of which the flow information from various segmented angular regions of the measuring tube or the pipeline is available.
  • the essential component of an ultrasonic sensor is a piezoelectric
  • the essential component of a piezoelectric element is a piezoceramic layer, which is a film or a membrane.
  • the piezoceramic is metallized at least in a partial area.
  • An ultrasonic sensor would work ideally if the piezoelectric element exactly followed the electrical excitation signal - but this is not the case in practice. Rather, harmonics and resonances are usually excited by the excitation signal, which are superimposed on the actual so-called useful signal and change its signal form. As a result, the measurement accuracy of a measuring method based on the piezoelectric effect is sometimes considerably limited.
  • the invention has for its object to propose a method with which an optimized signal / noise ratio is achieved in an ultrasonic sensor.
  • a method which comprises the following method steps: a time-limited excitation signal, which is described by at least one nominal size or by a desired signal, is polarized to a first piezoelectric element or a first Zone of a piezoelectric element supplied; the response signal, which is described by at least one actual variable or actual waveform corresponding to the desired variable or to the desired signal form, is received by a second piezoelectric element or by a second polarized zone of the piezoelectric element; the actual size or the actual signal form of the response signal and the nominal size or the nominal waveform of the response signal are compared with each other;
  • the excitation signal is modified so that the actual size or the actual waveform of the first piezoelectric element or from the first zone of the piezoelectric element emitted measurement signal is at least approximately equal to the target size or the nominal waveform of the response signal;
  • the process variable is determined by a sound entrainment method or by an echo method on the basis of the measurement signal which can be described by the defined target variable or the defined nominal signal shape.
  • the inventive method consists in the feedback - either in
  • an ultrasonic measurement signal is generated by the use of piezoelectric elements or of piezoelectric films or membranes.
  • Known piezoceramic elements are polarized and usually consist of a disc that is metallized on both sides.
  • the deflection of the surface is done by applying an electrical voltage between the two metallized avengers.
  • the reception of an ultrasonic measuring signal takes place via the reversal of the previously described process. This is possible because the process is reversible.
  • the excitation signal described by the predetermined target size or the nominal waveform is generated, that the excitation signal is fed to a first polarized zone of the piezoelectric element that through the at least one actual variable or response signal described by the actual waveform is tapped in a second polarized zone of the piezoelectric element and that in the case of a deviation of the actual size or the actual waveform of the response signal of the target size or the Desired signal form of the response signal, the excitation signal is modified such that the response signal is at least approximately determined by the predefined desired size or the desired signal shape. is written.
  • the method is realized in the simplest case via a feedback.
  • At least one additional metallized and polarized zone is provided on the piezoelectric element according to the invention in a first embodiment.
  • the voltage is measured, which is dependent on the deflection of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element can be optimally adapted to the desired SOLL signal shape in its oscillation behavior.
  • the output stage and the compensation circuit are preferably designed analogously for the sake of simplicity.
  • the excitation signal described by the predetermined target size or nominal waveform is supplied to the first piezoelectric element; the response signal described by an actual quantity or actual signal waveform corresponding to the target quantity or to the desired signal form is subsequently tapped on the second piezoelectric element, which is spatially separated from the first piezoelectric element;
  • the excitation signal is subsequently modified such that the response signal is at least approximately determined by the predetermined nominal size or nominal - Signal form can be described.
  • a second piezoelectric element which is arranged in the sound path of the first piezoelectric element.
  • This second piezoelectric element has a control function and measures the waveform emitted by the first piezoelectric element.
  • the ultrasonic measurement signal is modified so that the first piezoelectric element emits the desired signal shape.
  • the second piezoelectric element is thus used for the direct compensation of unwanted harmonics of the ultrasonic measurement signal.
  • the desired waveform is set by means of an alternative method, which also makes it possible to compensate harmonics and resonances of the emitted ultrasonic measurement signal suitable.
  • the ultrasound measuring signal emitted by the first piezoelectric element is likewise measured by a second piezoelectric element with a control function. The signal shape or another characteristic variable of the measured ultrasonic measurement signal is compared with a desired signal or nominal value.
  • a development of the two aforementioned variants of the method according to the invention provides that the actual size or the actual waveform of the response signal by changing the voltage applied to the first zone of the piezoelectric element or by changing the voltage to the first piezoelectric Element applied voltage is modified.
  • Voltage of the response signal is compared with the actual voltage of the response signal and that a deviation between the two voltages is corrected via a differential gain.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention also provides that the desired signal waveform of the response signal is determined and stored as a function of the conditions prevailing in the process and / or in the system conditions in each case as a waveform of the excitation signal and that on the respectively prevailing Process and / or system conditions tuned waveform is used as the excitation signal for the at least one zone of the piezoelectric element or as an excitation signal for the first piezoelectric element.
  • the determined under certain process and / or system conditions waveform is supplied as an excitation signal to the first piezoelectric element and that in case of a deviation of the waveform of the second piezoelectric element of the function of process and / or system conditions stored signal form of the excitation signal an error message is generated.
  • a deviation from a previously determined under predetermined conditions correction of the ultrasonic measurement signal is used here for error detection.
  • the piezoelectric element is a disk-shaped element which has two opposite end faces.
  • the piezoelectric element is a foil or a membrane.
  • the piezoelectric element in different zones on a mutually independent polarization;
  • the zones with the independent polarization are arranged on the same end face of the piezoelectric element. This simplifies the wiring in many cases.
  • the device suitable for carrying out the method according to the invention has a signal generator which supplies the time-limited excitation signal described by a variable or a signal form to the first polarized zone of the piezoelectric element. Furthermore, a correction circuit is provided which picks up the corresponding actual size or the corresponding actual signal form of the response signal from the second polarized zone of the piezoelectric element and compares it with the nominal size or the nominal waveform of the response signal; the correction circuit acts on the first polarized zone in the event of a deviation of the nominal size and actual size or the nominal waveform and the actual waveform of the response signal with a compensation signal which is dimensioned so that the actual size or the actual polarization zone
  • the signal shape of the response signal is approximately equal to the nominal size or the nominal waveform of the response signal.
  • an alternative embodiment of the device provides two piezoelectric elements, which are arranged in immediate proximity to each other.
  • the second piezoelectric element is arranged in the sound path of the first piezoelectric element.
  • a coupling medium is arranged between the two piezoelectric elements.
  • a memory unit is provided in which the magnitudes or signal forms of the response signal are dependent on those in the Process and / or system prevailing conditions are stored.
  • an evaluation unit determines a deviation of an actual quantity or an actual signal form of the response signal from the corresponding nominal value or recorded under defined process and / or system conditions.
  • READ signal waveform of the response signal detects and generates a corresponding error message.
  • FIG. 1 shows a plan view of the end face of a piezoelectric element known from the prior art
  • Fig. Ia a cross-section according to the marking A-A in Fig. 1
  • Fig. 2 a voltage signal which is used to excite a piezoelectric element of the prior art
  • FIG. 3 shows a response signal to the voltage signal shown in FIG. 2
  • FIG. 4 shows a first embodiment of a piezoelectric element with two differently polarized zones
  • FIG. 4a shows a cross section according to the marking A-A in FIG. 4, [0034]
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a piezoelectric element with two differently polarized zones, [0034] FIG.
  • Fig. 5a a cross section according to the marking A-A in Fig. 5, [0036]
  • Fig. 6 a first circuit arrangement, which is used to drive a piezoelectric
  • FIG. 7 is a second circuit arrangement suitable for driving a piezoelectric element with two differently polarized zones
  • FIG. 8 shows a circuit arrangement for driving a first piezoelectric element
  • FIG. a second piezoelectric element with compensation function is arranged downstream
  • FIG. 9 shows a flow chart for carrying out a preferred variant of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a plan view of the end face 6 of a known from the prior art piezoelectric element 1.
  • Fig. Ia shows the piezoelectric element 1 shown in Fig. 1 in cross section according to the characteristic drawing A-A.
  • Such a piezoelectric element 1 is the essential component of an ultrasonic sensor, as used for example for flow measurement or for filling level and distance measurement.
  • the piezoceramic layer forming the piezoelectric element 1 is a foil or a membrane with a conductive coating applied to both sides. For example, it has become known from the prior art that the two opposite end faces 5, 6 of the piezoelectric element 1 are differently polarized.
  • the thickness T of the piezoelectric layer determines the natural frequency of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element 1 is excited by means of an electrical excitation signal U (t) to vibrate.
  • the functioning of an ultrasonic sensor is as ideal to classify when the emitted from the piezoelectric element 1 ultrasonic measurement signal in its waveform exactly the electrical excitation signal U (t) - but this is not the case in practice. Rather, by the excitation signal U (t) in addition to the fundamental frequency also harmonics and resonances are usually excited, which are superimposed on the actual so-called. Payload and change it in its waveform.
  • An example is shown schematically in FIGS. 2 and 3. With reference to the response signal shown in Fig. 3
  • FIG. 4 shows a first embodiment of a piezoelectric element 1 with two differently polarized zones 2, 4, which is suitable for carrying out a first variant of the method according to the invention.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a piezoelectric element 1 suitable for carrying out the method according to the invention.
  • FIGS. 4a and 5a each show the corresponding cross sections according to the marking A-A in FIGS. 4 and 5.
  • two zones 2, 4 are provided with a different polarization on an end face 5 of the piezoelectric element 1. While the differently polarized zones 2, 4 are arranged concentrically in the embodiment shown in FIG. 4, the zones 2, 4 of the embodiment shown in FIG. 5 show an asymmetrical structure.
  • the first zone 2 transmits a response signal U 11
  • FIG. 8 an analog feedback circuit for driving a first piezoelectric element 1 is shown, which is arranged downstream of a second piezoelectric element 3 with compensation function. Between the two piezoelectric elements 1, 3 is a coupling medium 9, the properties of which are adapted to the properties of the two piezoelectric elements 1, 3 with regard to, for example, damping and reflection behavior.
  • the second piezoelectric element 3, which is positioned in the sound path of the first piezoelectric element 1, delivers the response signal U 11
  • the circuit arrangement shown in Fig. 7 differs by the additional memory unit 10 and the evaluation unit 11.
  • This circuit is suitable for carrying out a preferred embodiment of the method according to the invention, in which the transient of the System is shortened. According to this embodiment, the desired signal becomes the response signal
  • FIG. 9 shows a flow chart for carrying out a preferred variant of the method according to the invention, in which the actual signal form of the excitation signal is iteratively approximated to the desired signal form.
  • an iterative approximation of the waveform of the emitted for determining a process variable ultrasonic measurement signal to the desired desired signal waveform of the excitation signal U (t) is achieved.
  • the actual signal form of the excitation signal agrees with the desired signal form, later changes allow conclusions to be drawn regarding possible system or process errors.
  • the program is started at point 20.
  • the desired target Waveform applied as voltage signal U (t) to the first piezoelectric element 1. This thus assumes the function of a transmitter.
  • the second piezoelectric element 3 receives the response signal at the program point 22
  • the second piezoelectric element 3 has the function of a microphone.
  • the desired signal waveform is analyzed and described by suitable parameters. These determined parameters are stored at point 25. Furthermore, the desired signal waveform is sampled, stored, or these data are already stored digitally under the program point 24.
  • the first piezoelectric element 1 is acted upon at point 26 with a voltage signal U (t) having the stored desired signal waveform.
  • the second piezoelectric element 3 measures the actual time profile of the stored desired signal waveform.
  • the actual waveform of the response signal is sampled and stored.
  • the sampled and stored at point 24 SOLL waveform of the excitation signal and the actual waveform of the response signal is phase-shifted and compared or correlated.
  • the phase shift is necessary because the response signal to the excitation signal due to the transit time between the first piezoelectric element 1 and the second piezoelectric element 3 is shifted in time.
  • a suitable algorithm e.g. via an FFT
  • a corrected desired signal shape is determined at point 31. This corrected nominal signal shape is fed back to the program point 25 and stored.
  • the program items 26 to 31 are successively run through until the actual signal form and the desired signal form coincide.
  • FIG. 5 first end face

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, wobei ein zeitlich begrenztes Anregungssignal (U(t)), das durch zumindest eine SOLL-Größe bzw. durch eine SOLL-Signalform beschrieben wird, einem ersten piezoelektrischen Element (1) oder einer ersten polarisierten Zone (2) eines piezoelektrischen Elements (1) zugeführt wird, wobei das Antwortsignal ( Ua (t)), das durch zumindest eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschrieben wird, von einem zweiten piezoelektrischen Element (3) oder von einer zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) aufgenommen wird, wobei die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals (Ua (t)) und die SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals (Ua (t)) miteinander verglichen werden, wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (Ua (t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (Ua (t)) das Anregungssignal (U(t)) so modifiziert wird, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform von dem ersten piezoelektrischen Element (1) bzw. von der ersten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) ausgesandten Ultraschall-Messsignal zumindest näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (Ua (t)), und wobei anhand des Ultraschall-Messsignals, das durch die definierte SOLL-Größe bzw. die definierte SOLL-Signalform beschreibbar ist, die Prozess-größe über ein Schall-Mitnahmeverfahren oder über ein Echoverfahren bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozes sgröße
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße. Bei der Prozessgröße handelt es sich bevorzugt um den Volumen- oder Massedurchfluss eines Mediums durch eine Rohrleitung oder durch einen Kanal. Entsprechende Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Weiterhin kann es sich bei der Prozessgröße auch um den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter handeln, der mittels eines Ultraschall-Laufzeitverfahren ermittelt wird. Generell lässt sich sagen, dass das erfindungsgemäße Verfahren in allen Messgeräten einsetzbar ist, bei denen Ultraschall-Messsignale ausgesendet und empfangen werden.
[0002] Ohne Einschränkung wird im Nachfolgenden Bezug genommen auf ein Ultraschall- Durchflussmessgerät. Ein Inline-Ultraschall-Durchflussmessgerät ist üblicherweise in eine Rohrleitung integriert, in der ein Messmedium strömt. Ultraschall- Durchflussmessgeräte, die nach der Laufzeitdifferenz-Methode arbeiten, weisen zumindest ein Paar von Ultraschallsensoren auf, die Ultraschall-Messsignale entlang definierter Schallpfade aussenden und/oder empfangen. Eine Regel-/Auswerteeinheit ermittelt den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums in der Rohrleitung anhand der Differenz der Laufzeiten der Messsignale in Strömungsrichtung des Messmediums und entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums. Bei dem Messmedium kann es sich um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Medium handeln.
[0003] Neben den zuvor beschriebenen Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräten kommen auch Clamp-On-Durchflussmessgeräte zum Einsatz, die von außen auf der Rohrleitung montiert werden und die den Volumen- bzw. Masse-durchfluss durch die Rohrwand hindurch messen.
[0004] Ultraschall-Durchflussmessgeräte der zuvor beschriebenen Art, die den Volumenoder den Massedurchfluss ermitteln, werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Clamp-On-Durchfluss-messgeräte haben den Vorteil, dass sie es ermöglichen, den Volumen- oder Massedurchfluss in einem Behältnis, z.B. in einer Rohrleitung, ohne Kontakt mit dem Medium zu bestimmen. Clamp- On-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 Bl, der US-PS 4,484,478, DE 43 35 369 Cl, DE 298 03 911 Ul, DE 4336370 Cl oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.
[0005] Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschall- Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung, in der das Messmedium strömt, eingestrahlt bzw. aus der Rohrleitung ausgestrahlt. Bei Ul- traschall-Durchflussmessgeräten ist die jeweilige Position der Ultraschallwandler am Messrohr (Inline) bzw. an der Rohrleitung (Clamp-On) abhängig vom Innendurchmesser des Messrohres und von der Schallgeschwindigkeit des Messmediums. Bei einem Clamp-On-Durchfluss-messgerät müssen zusätzlich die Applikationsparameter: Wandstärke der Rohrleitung und Schallgeschwindigkeit des Materials der Rohrleitung berücksichtigt werden.
[0006] Üblicherweise sind bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten die
Ultraschallsensoren so angeordnet, dass die durchlaufenen Schallpfade durch den Zentralbereich der Rohrleitung bzw. des Messrohres geführt sind. Der ermittelte Durch- flussmesswert spiegelt somit den mittleren Durchfluss des Messmediums. Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Durchfluss-messungen in Rohrleitungen mit großen Nennweiten, ist diese Mittelung jedoch zu ungenau. Deshalb ist auch bekannt geworden, mehrere Sensor-paare über den Umfang verteilt an dem Messrohr bzw. an der Rohrleitung vorzusehen, wodurch die Durchflussinformation aus verschiedenen segmentierten Winkelbereichen des Messrohres bzw. der Rohrleitung zur Verfügung steht.
[0007] Die wesentliche Komponente eines Ultraschallsensors ist ein piezo-elektrisches
Element. Die wesentliche Komponente eines piezoelektrischen Elements ist eine pie- zokeramische Schicht, bei der es sich um eine Folie oder um eine Membran handelt. Die Piezokeramik ist zumindest in einem Teilbereich metallisiert. Durch Anlegen eines elektrischen Anregungssignals wird die piezoelektrische Schicht in Schwingung versetzt. Ein Ultraschallsensor würde ideal funktionieren, wenn das piezoelektrische Element exakt dem elektrischen Anregungssignal folgen würde - dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Vielmehr werden durch das Anregungssignal üblicherweise auch Oberwellen und Resonanzen angeregt, die sich dem eigentlichen sog. Nutzsignal überlagern und es in seiner Signalform verändern. Hierdurch wird die Messgenauigkeit eines auf dem piezoelektrischen Effekt basierenden Messverfahrens mitunter erheblich eingeschränkt.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein optimiertes Signal-/Rauschverhältnis bei einem Ultraschallsensor erreicht wird.
[0009] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrens-schritte umfasst: ein zeitlich begrenztes Anregungssignal, das durch zumindest eine SOLL- Größe bzw. durch eine SOLL-Signalform beschrieben wird, wird einem ersten piezoelektrischen Element oder einer ersten polarisierten Zone eines piezoelektrischen Elements zugeführt; - das Antwortsignal, das durch zumindest eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschrieben wird, wird von einem zweiten piezoelektrischen Element oder von einer zweiten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements aufgenommen; die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals und die SOLL- Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals werden miteinander verglichen;
- im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals wird das Anregungssignal so modifiziert, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform von dem ersten piezoelektrischen Element bzw. von der ersten Zone des piezoelektrischen Elements ausgesendeten Messsignal zumindest näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. der SOLL- Signalform des Antwortsignals; anhand des Messsignals, das durch die definierte SOLL-Größe bzw. die definierte SOLL-Signalform beschreibbar ist, wird die Prozessgröße über ein Schall-Mitnahmeverfahren oder über ein Echoverfahren bestimmt. [0010] Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in der Rückkopplung - entweder in
Echtzeit oder zeitverschoben - der Auslenkung des piezoelektrischen Elements auf das elektrische Anregungssignal. Wie bereits erwähnt, wird ein Ultraschall-Messsignal durch die Verwendung von piezoelektrischen Elementen oder von piezoelektrischen Folien bzw. Membranen erzeugt. Bekannte piezokeramische Elemente sind polarisiert und bestehen üblicherweise aus einer Scheibe, die auf beiden Seiten metallisiert ist. Die Auslenkung der Oberfläche geschieht durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden metallisierten Rächen. Das Empfangen eines Ultraschall-Messsignals erfolgt über die Umkehrung des zuvor beschriebenen Prozesses. Dies ist möglich, da der Prozess reversibel ist. [0011] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal erzeugt wird, dass das Anregungs-signal einer ersten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements zugeführt wird, dass durch die zumindest eine IST-Größe bzw. durch die IST-Signalform beschriebene Antwortsignal in einer zweiten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements abgegriffen wird und dass im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals das Anregungssignal so modifiziert wird, dass das Antwortsignal zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform be- schrieben wird. Realisiert wird das Verfahren im einfachsten Fall über eine Rückkopplung.
[0012] Um die Auslenkung des piezoelektrischen Elements durch ein angelegtes Spannungssignal zu messen, wird erfindungsgemäß in einer ersten Ausführungsform zumindest eine zusätzliche metallisierte und polarisierte Zone auf dem Piezoelement vorgesehen. An dieser zusätzlichen zweiten polarisierten Zone wird die Spannung gemessen, die von der Auslenkung des Piezoelementes abhängig ist. Über eine Linearisierung anhand einer Referenzmessung des angelegten Spannungssignals relativ zur Auslenkung und anhand einer Phasenkompensation der Verzögerung der an der Schwingung beteiligten mechanischen und elektrischen Komponenten lässt sich das piezoelektrische Element in seinem Schwingverhalten optimal an die gewünschte SOLL-Signalform anpassen. Bevorzugt werden Endstufe und die Kompensationsschaltung übrigens der Einfachheit halber analog ausführen.
[0013] Darüber hinaus wird gemäß einer alternativen Ausführungsform das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform beschriebene Anregungs-signal dem ersten piezoelektrischen Element zugeführt; das durch eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschriebene Antwortsignal wird nachfolgend an dem zweiten piezoelektrischen Element, das von dem ersten piezoelektrischen Element räumlich getrennt ist, abgegriffen; im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals wird das Anregungssignal anschließend so modifiziert, dass das Antwortsignal zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL- Signalform beschrieben werden kann.
[0014] Bei dieser zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird also ein zweites piezoelektrisches Element benutzt, welches im Schallpfad des ersten piezoelektrischen Elementes angeordnet ist. Dieses zweite piezoelektrische Element hat eine Kontrollfunktion und misst die vom ersten piezoelektrischen Element ausgesendete Signalform. Anhand der gemessenen Signalform wird das Ultraschall-Messsignal so modifiziert, dass das erste piezoelektrische Element die gewünschte Signalform aussendet. Das zweite piezoelektrische Element wird also zur unmittelbaren Kompensation von unerwünschten Oberwellen des Ultraschall- Messsignals verwendet.
[0015] In gewissen Anwendungen kann nun der Fall auftreten, dass die Phasen-differenz durch die Laufzeit des Ultraschall-Messsignals zwischen dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element, das die Funktion eines Kontroll- Piezoelements hat, zu groß wird, so dass eine unmittelbare Rückkopplung nicht möglich ist. In diesem Fall erfolgt die Einstellung der gewünschten Signalform mittels eines alternativen Verfahrens, welches es gleichfalls ermöglicht, Oberwellen und Resonanzen des ausgesendeten Ultraschall-Messsignals geeignet zu kompensieren. Hierzu wird das vom ersten piezoelektrischen Element ausgesandte Ultraschall- Messsignal ebenfalls durch ein zweites piezoelektrisches Element mit Kontrollfunktion gemessen. Die Signalform bzw. eine anderweitige charakteristische Größe des gemessenen Ultraschall-Messsignals wird mit einer SOLL-Signalform bzw. SOLL- Größe verglichen. Aus der Differenz der beiden Messsignale wird neues Anregungssignal generiert und gespeichert. Für die nächste Anregung des piezoelektrischen Elements wird dieses neu generierte und gespeicherte Anregungssignal verwendet. Das ausgesandte Ultraschall-Messsignal wird erneut gemessen, mit dem gewünschten Anregungssignal verglichen und aus der Differenz wird ein wiederum modifiziertes Anregungssignal generiert und gespeichert. Durch iterative Anwendung des Verfahrens wird die IST-Signalform des aktuellen Ultraschall-Messsignals der gewünschten SOLL-Signalform des Ultraschall-Messsignals sukzessive angenähert.
[0016] Eine Weiterbildung zu den beiden zuvor genannten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals durch Änderung der an die erste Zone des piezoelektrischen Elements angelegten Spannung oder durch Änderung der an das erste piezoelektrische Element angelegten Spannung modifiziert wird.
[0017]
[0018] Weiterhin wird, wie bereits zuvor erwähnt, vorgeschlagen, dass die SOLL-
Spannung des Antwortsignals mit der IST-Spannung des Antwortsignals verglichen wird und dass eine Abweichung zwischen den beiden Spannungen über eine Differenzverstärkung korrigiert wird.
[0019] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht darüber hinaus vor, dass die SOLL-Signalform des Antwortsignals ermittelt und in Abhängigkeit von den im Prozess und/oder im System herrschenden Bedingungen jeweils als Signalform des Anregungssignal abgespeichert wird und dass die auf die jeweils herrschenden Prozess- und/oder System-bedingungen abgestimmte Signalform als Anregungssignal für die zumindest eine Zone des piezoelektrischen Elements oder als Anregungssignal für das erste piezoelektrische Element verwendet wird.
[0020] Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die unter bestimmten Prozess- und/oder Systembedingungen ermittelte Signalform als Anregungssignal dem ersten piezoelektrischen Element zugeführt wird und dass im Falle einer Abweichung der Signalform des zweiten piezoelektrischen Elements von der in Abhängigkeit von Prozess- und/oder Systembedingungen gespeicherten Signalform des Anregungssignals eine Fehlermeldung generiert wird. Eine Abweichung von einer unter vorgegebenen Bedingungen vorab ermittelten Korrektur des Ultraschall-Messsignals wird hier also zur Fehlererkennung herangezogen.
[0021] Wie bereits zuvor erwähnt, handelt es sich bei dem piezoelektrischen Element um ein scheibenförmig ausgebildetes Element, welches zwei gegenüber-liegende Stirnflächen aufweist. Das piezoelektrische Element ist eine Folie oder eine Membran.
[0022] Bevorzugt weist das piezoelektrische Element in unterschiedlichen Zonen eine voneinander unabhängige Polarisation auf; darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Zonen mit der voneinander unabhängigen Polarisation auf derselben Stirnfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet sind. Dies vereinfacht in vielen Fällen die Verdrahtung.
[0023] Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung weist einen Signalgenerator auf, der das zeitlich begrenzte durch eine Größe bzw. eine Signalform beschriebene Anregungssignal der ersten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements zuführt. Weiterhin ist eine Korrekturschaltung vorgesehen, die die korrespondierende IST-Größe bzw. die korrespondierende IST-Signalform des Antwortsignals aus der zweiten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements abgreift und mit der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals vergleicht; die Korrekturschaltung beaufschlagt die erste polarisierte Zone im Falle einer Abweichung der SOLL-Größe und IST-Größe bzw. der SOLL-Signalform und IST-Signalform des Antwortsignals mit einem Kompensationssignal, das so bemessen ist, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals.
[0024] Anstelle der Beeinflussung eines piezoelektrischen Elements mit unterschied-lich polarisierten Zonen sieht eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung zwei piezoelektrische Elemente vor, die in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Allgemein lässt sich sagen, dass das zweite piezoelektrische Element im Schallpfad des ersten piezoelektrischen Elements angeordnet ist. Zur Vermeidung von Reflexionen wird es in diesem Zusammenhang als vorteilhaft angesehen, wenn zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen ein Koppelmedium angeordnet ist.
[0025] Kommt das Verfahren zur Anwendung, das eine iterative Anpassung des ausgesandten Ultraschall-Messsignals an ein Ultraschall-Messsignal mit einer vorgegebenen SOLL-Signalform vorschlägt, so ist eine Speichereinheit vorgesehen, in der Größen bzw. Signalformen des Antwortsignals in Abhängigkeit von den im Prozess- und/oder System herrschenden Bedingungen abgespeichert sind.
[0026] In diesem Zusammenhang ist es dann auch möglich, die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern im System oder Prozess heran-zuziehen. Hierzu ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die eine Abweichung einer IST-Größe oder einer IST-Signalform des Antwortsignals von der entsprechenden, unter definierten Prozess- und/oder Systembedingungen aufgezeichneten SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform des Antwortsignals erkennt und eine entsprechende Fehlermeldung generiert.
[0027] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: [0028] Fig. 1 : eine Draufsicht auf die Stirnfläche eines aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Elements,
[0029] Fig. Ia: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 1, [0030] Fig. 2: ein Spannungssignal, das zur Anregung eines piezoelektrischen Elements des Standes der Technik verwendet wird,
[0031] Fig. 3: ein Antwortsignal auf das in Fig. 2 dargestellte Spannungssignal, [0032] Fig. 4: eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen,
[0033] Fig. 4a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 4, [0034] Fig. 5: eine zweite Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen,
[0035] Fig. 5a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 5, [0036] Fig. 6: eine erste Schaltungsanordnung, die zur Ansteuerung eines piezoelektrischen
Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen geeignet ist, [0037] Fig. 7: eine zweite Schaltungsanordnung, die zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen geeignet ist, [0038] Fig. 8: eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ersten piezoelektrischen Elements, dem ein zweites piezoelektrisches Element mit Kompensationsfunktion nachgeordnet ist, und
[0039] Fig. 9: ein Flussdiagramm zur Durchführung einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0040] Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnfläche 6 eines aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Elements 1. Fig. Ia zeigt das in Fig. 1 dargestellte piezoelektrische Element 1 im Querschnitt gemäß der Kenn-zeichnung A-A. Ein derartiges piezoelektrisches Element 1 ist die wesentliche Komponente eines Ultraschallsensors, wie er beispielsweise zur Durchfluss-messung oder zur Füllstands- und Abstandsmessung verwendet wird. Bei der das piezoelektrische Element 1 bildenden pie- zokeramischen Schicht handelt es sich um eine Folie oder um eine Membran mit einer beidseitig aufgebrachten, leitfähigen Beschichtung. Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt geworden, dass die beiden sich gegenüberliegenden Stirnflächen 5, 6 des piezoelektrischen Elements 1 unterschiedlich polarisiert sind. Die Dicke T der piezoelektrischen Schicht bestimmt die Eigenfrequenz des piezoelektrischen Elements.
[0041] Das piezoelektrische Element 1 wird mittels eines elektrischen Anregungs-signals U(t) zu Schwingungen angeregt. Die Funktionsweise eines Ultraschall-sensors ist als ideal einzustufen, wenn das von dem piezoelektrischen Element 1 ausgesandte Ultraschall-Messsignal in seiner Signalform exakt dem elektrischen Anregungssignal U(t) folgt - dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Vielmehr werden durch das Anregungssignal U(t) neben der Grundfrequenz üblicherweise auch Oberwellen und Resonanzen angeregt, die sich dem eigentlichen sog. Nutzsignal überlagern und es in seiner Signalform verändern. Ein Beispiel ist in den Figuren Fig. 2 und Fig. 3 schematisch dargestellt. [0042] Anhand des in Fig. 3 dargestellten Antwortsignals
U0
(t) ist verdeutlicht, dass das Antwortsignal
U11
(t) gegenüber dem Anregungssignal U(t) eine deutlich längere Abklingzeit hat. Das Anregungssignal U(t) wird von dem Signal-generator 7 erzeugt. Es versteht sich von selbst, dass diese Änderung der Signalform zu erheblichen Messfehlern führt, wenn die Laufzeit der Ultraschall-Messsignale relativ zum Messsignal gesehen klein ist.
[0043] Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements 1 mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen 2, 4, welches zur Durchführung einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform eines zur Durchführung des erfindungs-gemäßen Verfahrens geeigneten piezoelektrischen Elements 1 zu sehen. Die Figuren Fig. 4a und Fig. 5a zeigen jeweils die entsprechenden Querschnitte gemäß der Kennzeichnung A-A in den Figuren Fig. 4 und Fig. 5.
[0044] Bei beiden Ausführungsformen sind auf einer Stirnfläche 5 des piezo-elektrischen Elements 1 zwei Zonen 2, 4 mit unterschiedlicher Polarisation vorgesehen. Während die unterschiedlich polarisierten Zonen 2, 4 bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform konzentrisch angeordnet sind, zeigen die Zonen 2, 4 der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform einen asymme-trischen Aufbau. Durch Zuführung des Anregungssignals U(t) sendet die erste Zone 2 ein Antwortsignal U11
(t) aus, das von der zweiten Zone 4 des piezoelektrischen Elements 1 in Echtzeit empfangen wird.
[0045] Wie in der in Fig. 6 dargestellten Schaltung zu sehen ist, wird das von der zweiten Zone 4 empfangene Antwortsignal
(t) der Korrekturschaltung 8, bei der es sich bevorzugt um eine Differenzverstärkung handelt, zugeführt und über die Endstufe / den Verstärker 12 wieder auf die erste Zone 2 des piezoelektrischen Elements 1 gegeben. Über diese Rückkoppelschaltung wird erreicht, dass das Antwortsignal Ua
(t) im eingeschwungenen Zustand zumindest näherungsweise die Signalform des Anregungssignals U(t) aufweist.
[0046] In Fig. 8 ist eine analoge Rückkoppel-Schaltung zur Ansteuerung eines ersten piezoelektrischen Elements 1 dargestellt, dem ein zweites piezoelektrisches Element 3 mit Kompensationsfunktion nachgeordnet ist. Zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen 1,3 befindet sich ein Koppelmedium 9, dessen Eigenschaften hinsichtlich z.B. Dämpfung und Reflektionsverhalten an die Eigenschaften der beiden piezoelektrischen Elemente 1, 3 angepasst sind. Bei dieser Ausgestaltung liefert also das zweite piezoelektrische Element 3, das im Schallpfad des ersten piezoelektrischen Elements 1 positioniert ist, das Antwortsignal U11
(t) an die Differenzverstärkerschaltung 8.
[0047] Von der in Fig. 6 gezeigten Schaltungsanordnung unterscheidet sich die in Fig. 7 dargestellte Schaltungsanordnung durch die zusätzliche Speichereinheit 10 und die Auswerteeinheit 11. Diese Schaltungsanordnung ist zur Durch-führung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, bei der der Einschwingvorgang des Systems verkürzt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird die die SOLL-Signalform des Antwort-signals
Ua
(t) ermittelt und in Abhängigkeit von den im Prozess und/oder im System herrschenden
Bedingungen
X1 jeweils als Signalform des Anregungssignal U(t;
X1
) abgespeichert wird; diese auf die jeweils herrschenden Prozess- und/oder Systembedingungen x, optimal abge-stimmte und bereits zuvor bestimmte Signalform wird nachfolgend als
Anregungssignal U(t;
X1
) für die zumindest eine Zone 2 des piezo-elektrischen Elements 1 oder als Anregungssignal für das erste piezoelektrische Element 1 verwendet.
[0048] Weiterhin ist vorgesehen, dass die unter bestimmten Prozess- und/oder Systembedingungen X1 ermittelte Signalform als Anregungssignal U(t;
X1
) dem ersten piezoelektrischen Element 1 zugeführt wird und dass im Falle einer
Abweichung der Signalform des vom zweiten piezoelektrischen Element 1 gelieferten
Antwortsignals υu (t;
X1
) von der unter definierten Prozess- und/oder Systembedingungen x, gespeicherten Signalform des Anregungs-signals U(t; x,
) eine Fehlermeldung generiert wird. Eine Abweichung zwischen dem von dem zweiten piezoelektrischen Element 1 oder der zweiten Zone 3 des piezoelektrischen Elements 1 gelieferten Antwortsignal
U0
(t;
X1
) wird somit zur Fehlererkennung herangezogen.
[0049] In Fig. 9 ist ein Flussdiagramm zur Durchführung einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem die IST-Signalform des Anregungssignals iterativ an die SOLL-Signalform angenähert wird. Mittels dieses Verfahrens ist es möglich, eine Dämpfungs- oder Impedanz-messung oder in Verbindung mit einer Schallgeschwindigkeitsmessung eine Dichtemessung durchzuführen. Auch wird es durch das nachfolgend beschriebene Verfahren ermöglicht, den Verschleiß oder allgemein einen Fehler am als Sender ausgestalteten piezoelektrischen Element 1 zu erkennen.
[0050] Allgemein gesprochen, wird bei dieser Ausgestaltung eine iterative Annäherung der Signalform des zur Bestimmung einer Prozessgröße ausgesandten Ultraschall- Messsignals an die gewünschte SOLL-Signalform des Anregungssignals U(t) erreicht. Sobald die IST-Signalform des Anregungssignals mit der SOLL-Signalform übereinstimmt, lassen spätere Änderungen Rückschlüsse auf mögliche System- oder Prozeßfehler erkennen.
[0051] Der Programmstart erfolgt bei Punkt 20. Bei Punkt 21 wird die gewünschte SOLL- Signalform als Spannungssignal U(t) an das erste piezoelektrische Element 1 angelegt. Dieses übernimmt somit die Funktion eines Senders. Das zweite piezoelektrische Element 3 empfangt unter dem Programmpunkt 22 das Antwortsignal
Ua
(t). Somit hat das zweite piezoelektrische Element 3 die Funktion eines Mikrofons.
[0052] Unter Programmpunkt 23 wird die SOLL-Signalform analysiert und durch geeignete Parameter beschrieben. Diese ermittelten Parameter werden bei Punkt 25 abgespeichert. Weiterhin wird die SOLL-Signalform gesampelt, gespeichert, oder diese Daten sind unter dem Programmpunkt 24 bereits digital abgespeichert.
[0053] Das erste piezoelektrische Element 1 wird unter Punkt 26 mit einem Spannungssignal U(t) beaufschlagt, das die abgespeicherte SOLL-Signalform aufweist. Unter Punkt 28 misst das zweite piezoelektrische Element 3 den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der abgespeicherten SOLL-Signalform. Unter Punkt 29 wird die IST-Signalform des Antwortsignals gesampelt und abgespeichert. Anschließend werden bei Programmpunkt die unter Punkt 24 gesampelte und gespeicherte SOLL- Signalform des Anregungssignals und die IST-Signalform des Antwortsignals phasenverschoben und miteinander verglichen bzw. korreliert. Die Phasenverschiebung ist notwendig, da das Antwortsignal zum Anregungssignal aufgrund der Laufzeit zwischen dem ersten piezoelektrischen Element 1 und dem zweiten piezoelektrischem Element 3 zeitlich verschoben ist. Über einen geeigneten Algorithmus, z.B. über eine FFT, wird bei Punkt 31 eine korrigierte SOLL-Signalform bestimmt. Diese korrigierte SOLL-Signalform wird auf den Programmpunkt 25 rückgeführt und abgespeichert. Die Programmpunkte 26 bis 31 werden sukzessive solange durchlaufen, bis die IST- Signalform und die SOLL-Signalform übereinstimmen.
[0054]
[0055] Bezugszeichenliste
[0056] 1 erstes piezoelektrisches Element
[0057] 2 erste polarisierte Zone
[0058] 3 zweites piezoelektrisches Element
[0059] 4 zweite polarisierte Zone
[0060] 5 erste Stirnfläche
[0061 ] 6 zweite Stirnfläche
[0062] 7 Signalgenerator
[0063] 8 Korrekturschaltung
[0064] 9 Koppelmedium
[0065] 10 Speichereinheit
[0066] 11 Auswerteeinheit [0067] 12 Endstufe /Verstärker

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, wobei ein zeitlich begrenztes Anregungssignal (U(t)), das durch zumindest eine SOLL- Größe bzw. durch eine SOLL-Signalform beschrieben wird, einem ersten piezoelektrischen Element (1) oder einer ersten polarisierten Zone (2) eines piezoelektrischen Elements (1) zugeführt wird, wobei das Antwortsignal (
(t)), das durch zumindest eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschrieben wird, von einem zweiten piezoelektrischen Element (3) oder von einer zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) aufgenommen wird, wobei die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)) und die SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals ( U0
(t)) miteinander verglichen werden, wobei im Falle einer Abweichung der IST- Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals ( U11 (t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (
(t)) das Anregungssignal (U(t)) so modifiziert wird, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform von dem ersten piezoelektrischen Element (1) bzw. von der ersten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) ausgesandten Ultraschall- Messsignal zumindest näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)), und wobei anhand des Ultraschall-Messsignals, das durch die definierte SOLL-Größe bzw. die definierte SOLL-Signalform beschreibbar ist, die Prozessgröße über ein Schall-Mitnahmeverfahren oder über ein Echoverfahren bestimmt wird.
[0002] 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal (U(t)) erzeugt wird, wobei das Anregungssignal (U(t)) einer ersten polarisierten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) zugeführt wird, wobei das durch die zumindest eine IST-Größe bzw. durch die IST-Signalform beschriebene Antwortsignal ( ua
(t)) in einer zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) abgegriffen wird und wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (
(t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)) das Anregungssignal (U(t) so modifiziert wird, dass das Antwortsignal (
U11
(t)) zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschrieben wird.
[0003] 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal (U(t)) dem ersten piezoelektrischen Element (1) zugeführt wird, wobei das durch eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespon-dierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschriebene Antwortsignal (
Ua
(t)) von dem zweiten piezoelektrischen Element (3) abgegriffen wird und wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (
U11
(t)) das Anregungssignal (U(t)) so modifiziert wird, dass das Antwortsignal (
(t)) zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL- Signalform beschrieben wird.
[0004] 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die IST-Größe bzw. die IST-
Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)) durch Änderung der an die erste Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) angelegten Spannung oder durch Änderung der an das erste piezoelektrische Element (1) angelegten Spannung modifiziert wird.
[0005] 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die SOLL-Spannung des Antwortsignals (
U (t)) mit der IST-Spannung des Antwortsignals ( Ua
(X)) verglichen wird und wobei eine Abweichung zwischen den beiden Spannungen über eine Differenzverstärkung korrigiert wird.
[0006] 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, wobei die SOLL-
Signalform des Antwortsignals (
U0
(t)) ermittelt und in Abhängigkeit von den im Prozess und/oder im System herrschenden Bedingungen (
X1
) jeweils als Signalform des Anregungssignal (U(t; x,
)) abgespeichert wird und wobei die auf die herrschenden Prozess- und/oder Systembedingungen abgestimmte Signalform als Anregungssignal (U(t;
X1
)) für die zumindest eine Zone (2, 4) des piezoelektrischen Elements (1) oder als
Anregungssignal (U(t; x,
)) für das erste piezoelektrische Element (1) verwendet wird.
[0007] 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die unter bestimmten Prozess- und/oder
Systembedingungen ermittelte Signalform als Anregungssignal (U(t;
X1
)) dem ersten piezoelektrischen Element (1) zugeführt wird und wobei im Falle einer Abweichung der Signalform des zweiten piezoelekt-rischen Elements (3) von der in Abhängigkeit von Prozess- und/oder Systembedingungen (
X1
) gespeicherten Signalform des Anregungssignals (U(t;
X,
)) eine Fehlermeldung generiert wird.
[0008] 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1-7, wobei ein piezoelektrisches Element (1; 3) scheibenförmig ausgebildet ist und zwei gegenüberliegende Stirnflächen (5, 6) aufweist.
[0009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Element (1) in unterschiedlichen Zonen (2, 4) eine voneinander unabhängige Polarisation aufweist und wobei die Zonen (2, 4) mit der voneinander unabhängigen Polarisation auf derselben Stirnfläche (5; 6) des piezoelektrischen Elements (1) angeordnet sind. [0010] 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Signalgenerator (7) vorgesehen ist, der das zeitlich begrenzte, durch eine Größe bzw. eine Signalform beschriebene Anregungssignal (U(t)) der ersten polarisierten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) zuführt, wobei eine Korrekturschaltung (8) vorgesehen ist, die die korrespondierende IST-Größe bzw. die korrespondierende IST-Signalform des Antwortsignals (
U0
(t)) aus der zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) abgreift und mit der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)) vergleicht, und wobei die Korrekturschaltung (8) die erste polarisierte Zone (2) im Falle einer Abweichung der SOLL-Größe und IST-Größe bzw. der SOLL- Signalform und IST-Signalform des Antwortsignals (
(t)) mit einem Kompensationssignal (
(t)) beaufschlagt, das so bemessen ist, dass die IST-Größe bzw. die IST- Signalform des Antwortsignals (
Ua
(t)) näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des
Antwortsignals (
U0
(0). [0011] 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwei piezoelektrische Elemente (1, 3) vorgesehen sind, die in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. [0012] 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die beiden piezoelektrischen Elemente über ein Koppelmedium (9) miteinander gekoppelt sind. [0013] 13. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Speichereinheit (10) vorgesehen ist, in der Größen bzw. Signalformen des Antwortsignals (U(t;
)) in Abhängigkeit von den im Prozess- und/oder System herrschenden Bedingungen abgespeichert sind.
[0014] 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Auswerteeinheit (11) vorgesehen ist, die eine Abweichung einer IST-Größe oder einer IST-Signalform des Ant- wortsignals (U(t;
X1
)) von der entsprechenden, unter definierten Prozess- und/oder Systembedingungen ( x,
) aufgezeichneten SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform des Antwortsignals (U(t;
X1
)) erkennt und eine Fehlermeldung generiert.
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