WO2010006896A1 - VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖßE UND VERFAHREN ZUR PRÜFUNG EINER VORRICHTUNG - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖßE UND VERFAHREN ZUR PRÜFUNG EINER VORRICHTUNG Download PDF

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WO2010006896A1
WO2010006896A1 PCT/EP2009/057822 EP2009057822W WO2010006896A1 WO 2010006896 A1 WO2010006896 A1 WO 2010006896A1 EP 2009057822 W EP2009057822 W EP 2009057822W WO 2010006896 A1 WO2010006896 A1 WO 2010006896A1
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unit
test
signal
channel
receiving
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PCT/EP2009/057822
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Sascha D'angelico
Franco Ferraro
Albrecht Kahlert
Sergej Lopatin
Martin Urban
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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Publication date
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    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis
    • G—PHYSICS
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    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one process variable, with at least one mechanically oscillatable unit, with at least one drive / receiving unit, which excites the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations based on an excitation signal and which of the mechanical oscillatory unit receives mechanical oscillations and converts them into a received signal, and with at least one electronic unit which generates the excitation signal and which processes the received signal, wherein the drive / receiving unit and the electronic unit are interconnected at least by a transmitting channel and a receiving channel, wherein the transmitting channel ! the transmission of the excitation signal and the receiving channel of the transmission of the received signal is used.
  • the invention relates to a method for testing a device for determining and / or monitoring at least one process variable, wherein the device comprises at least one mechanically oscillatable unit, wherein the device has at least one drive / receiving unit which, starting from an excitation signal, the mechanical oscillatable unit excites mechanical oscillations and receives from the mechanically oscillatable unit mechanical vibrations and converted into a received signal, and wherein the device comprises at least one Elekträäinheitinheit which generates the excitation signal and which processes the received signal, wherein the drive / receiving unit and the electronic unit configured and matched to one another such that at least one transmission channel and one reception channel result, with the transmission kana! the excitation of the mechanically oscillatable unit to mechanical Vibrations and the receiving channel to receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit is used.
  • the process variable is, for example, the level, density or viscosity of a medium, which is, for example, a liquid, a bulk material or generally a fluid.
  • the medium is, for example, in a container.
  • oscillating pulses for example EP 0 444 173 B1
  • rods for example WO 2004/094964 A1
  • membrane vibrators are known. Exploited in the measurements with these devices in each case that the characteristics of the mechanical vibrations (oscillation amplitude, resonant frequency, phase response over frequency) of the oscillatory unit depend on the contact with the medium or even of its properties. For example, the frequency or amplitude of the vibrations decreases as the medium reaches and at least partially covers the vibratable unit.
  • the oscillation frequency is also dependent, for example, on the viscosity (see, for example, EP 1 325 301) and the density of the medium.
  • the functionality of the measuring devices check regularly.
  • self-testing of the devices are very popular. Failure possibilities exist, for example, in the fact that the piezoelectric elements age or, for example, be damaged by a temperature shock or that contacts become dissolved over time and under the process conditions or that condensate forms in the measuring device and a conductive bridge is formed.
  • the local level switch has two piezoelectric vibration devices, which serve to generate or receive the vibrations.
  • the two piezoelectric vibrators are connected in parallel and in series to a capacitance measuring device.
  • the total capacitance value of the two piezoelectric vibration devices connected in parallel and thus understood as capacitors is measured and in one embodiment compared with a reference capacitor.
  • the disadvantage is that thus can not be addressed or only with appropriate effort, for example, on the temperature dependence of the capacitance value of the piezoelectric elements.
  • errors or deficiencies in the two elements which have the opposite effect on the capacity value, are not recognized.
  • the setting of the reference capacitor is complicated and associated with the production of increased costs.
  • the invention has for its object to propose a measuring device or a method which allow a functional check that do not have the disadvantages of the prior art.
  • the Erfundung solves the task with respect to the device in that at least one test unit is provided, and that the test unit is designed such that it at least during a test phase of a Impedanzwert the transmission channel dependent Sendekanai test signal and a dependent of a fmpedanzwert the receiving channel receiving channel test signal processed and / or evaluated.
  • the device is usually able to either determine the process variable or it responds to the exceeding or falling below a corresponding limit. In the latter case, it is the so-called level limit switch. However, this does not only refer to the level, but also to the other process variables such as density or viscosity of the medium. With the device, it is possible to display the deviation from an existing limit value or to determine a measured value for the process variable.
  • the device thus has a test unit which evaluates at least two test signals during a test phase: a transmit channel test signal which depends on the impedance value of the transmit channel and a receive channel test signal which is dependent on the impedance value of the receive channel. That is, in contrast to the prior art, each channel is considered individually. As a result, a direct comparison of the two channels via their impedance values is possible. For example, if the two channels, ie the respective combination of transmitting and receiving element with the associated lines and any existing components, known ratios of the impedances to each other, the two channels can be mutually used for referencing.
  • Each channel comprises at least the respective lines between drive / receiving unit and electronic unit and also the respective portion of the drive / Empfangsemheit, which is functionally involved in the respective channel. That is to say that the transmission channel consists at least of the lines via which the excitation signal is transmitted, and of the part of the drive / receiving unit responsible for exciting the oscillations or for converting the excitation signal into mechanical vibrations, or in other words the transmitting part of the drive - / receiver unit.
  • each channel has its own impedance value, at which the capacitive or the inductive component or the ohmic resistance is dominant, depending on the configuration of the channel or the drive / receiving unit.
  • An embodiment of the device includes that the test unit during the test phase dependent on a capacitance value of the transmission channel transmit channel Testsigna! and processes and / or evaluates the reception channel test signal which is dependent on a capacitance value of the reception channel, or during the test phase the test unit transmits the transmission channel test signal dependent on an inductance value of the transmission channel. and processes and / or evaluates the receive channel test signal dependent on an inductance value of the receive channel.
  • the impedance as a complex alternating current resistance results from the capacitance, the inductance and the ohmic resistance of the respective channel or, in particular, the portion of the drive / receiving unit and the respective lines assigned to the respective channel.
  • the two channels of the inductive or the capacitive component of the impedance is decisive.
  • test unit is designed such that the test unit processes and / or evaluates at least one sum signal from the transmit channel test signal and the receive channel test signal, and / or that the test unit receives at least one difference signal between the transmit channel test signal.
  • Test signal and the receive channel test signal processed and / or evaluated.
  • the two test signals are thus compared with one another via a subtraction circuit and added via a summation circuit and the sum or the difference is evaluated. This allows an effective
  • the Function test consists in this variant in that the signals or the associated impedances or, in particular, the capacities of the transmitting and receiving Kanafs are compared directly with each other.
  • the respective signals of the two channels can be evaluated individually. The difference in the two signals essentially shows changes which act asymmetrically on both channels, whereas the sum signals the case that both channels have essentially undergone a similar change in the impedance values.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the test unit is designed such that the test unit in case of a deviation of the transmit channel test signal and / or the received channel test signal and / or the sum signal and / or the difference signal of one or more predetermined limits on a or several predefinable tolerance ranges generates an alarm.
  • the test unit is designed such that the test unit in case of a deviation of the transmit channel test signal and / or the received channel test signal and / or the sum signal and / or the difference signal of one or more predetermined limits on a or several predefinable tolerance ranges generates an alarm.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that the drive / receiving unit has at least one transmitting element and a receiving element, wherein the transmitting element of the excitation of the mechanically oscillatable unit is used for mechanical vibrations, and wherein the receiving element to receive the mechanical
  • the transmitting and receiving elements are, for example, two piezoelectric Elements which are arranged in a stack one above the other, ie at different heights.
  • the transmitting and receiving elements are two piezoelectric elements arranged in a plane in a plane.
  • the transmitting and the receiving element are each part of the associated Sende endeavor. Receiving channel.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the drive / receiving unit is contacted with at least a first line, a second line and a third line.
  • Drive / receiving unit and electronics unit thus consists of at least three lines.
  • one of the three lines is connected to ground during the measuring phases, and the excitation signal and the received signal are transmitted on the other two lines. These two signals are in particular electrical
  • the reference potential results via the grounded third line.
  • the ground line can be understood both as part of the transmitting and the receiving channel.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that the transmitting element, the first line and the second line at least partially form the transmission channel, and that the receiving element, the first line and the third line at least partially form the receiving channel.
  • the transmitting element and the receiving element are thus each with their
  • An embodiment of the device includes that the first line is connected during a measurement phase with a constant electrical potential, in particular with ground, that the second line is acted upon during the measurement phase with the excitation signal, and that the third line during the measuring phase with the receiving signal! is charged.
  • the first line is preferably connected to ground during the measuring phase, ie during the time in which the meter fulfills its tasks, and thus also provides a separation between the transmitting and receiving channels! or between the transmitting and receiving element.
  • the second and the third line serve to transmit the excitation signal or the received signal. Both signals are preferably electrical alternating voltages.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that the first line is contacted with the electronics unit during the test phase, that the second line is connected during the test phase, in particular via at least one measuring resistor, with a constant electrical potential, in particular with ground, and that the third line during the test phase, in particular at least one
  • Measuring resistor with a constant electrical potential, in particular with ground, is connected.
  • the second and the third line are connected to ground and the first line is contacted with the electronics unit. Since the first line is a component of both the receiving and the transmission channel, thus can also be easily a matching stimulus or test signal for performing the function test on the two channels, the electronic unit is here for the measurement, as well used for generating the excitation or test signal. This simplifies the structure. Alternatively, however, it is also possible to use an additional unit which generates a suitable signal.
  • the two measuring resistors, via which the second and third lines are each connected to a constant potential, preferably ground, respectively permit the tapping of the transmitting channel or the receiving channel test signal.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the first line during the test phase with a test request signal is charged.
  • the test request signal is, for example, an electrical voltage signal which allows the measurement of the impedances or in particular of the capacitances.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that at least one filter unit is provided, that the filter unit and the electronics unit form a resonant circuit with a predefinable resonance frequency at least during the test phase, and that the filter unit modifies an output signal of the electronic unit during the test phase and modifies the modified output signal the electronic unit returns.
  • the filter unit and the electronics unit thus form during the test phase an additional resonant circuit, the resonant frequency of which is higher than the design of e.g. set the fiter unit.
  • This resonant circuit can be used accordingly for the functional test of the electronics unit.
  • the filter unit is essentially a bandpass set to a particular frequency.
  • the filter unit also converts this output signal of the electronic unit, for example into a sinusoidal signal (other variants are also possible).
  • the filter unit provided in this embodiment is designed such that it generates an amplitude, a frequency or a phase, via which a statement about the electronics (in particular the fundamental wave excitation) is possible. This modified excitation signal then returns to the input of the electronics unit and is appropriately processed or evaluated there.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the drive / receiving unit has at least one piezoelectric element and / or an electromagnetic element.
  • the drive / receiving unit has at least one piezoelectric element and / or an electromagnetic element.
  • An embodiment of the device according to the invention provides that the mechanically oscillatable unit in the manner of a vibration! is designed, or that the mechanically oscillatable unit is designed in the manner of a single rod, or that the mechanically oscillatable unit is designed in the manner of a membrane resonator.
  • An embodiment of the device according to the invention includes that the process variable is the fill level, the density or the viscosity of a medium, in particular in a container.
  • the invention solves the object with regard to the method in that, at least during a test phase, a transmission channel test signal dependent on an impedance value of the transmission channel and a reception channel test signal dependent on an impedance value of the reception channel are evaluated with one another.
  • the invention consists in the fact that the impedances of the transmitting and receiving elements of the drive / receiving unit or the impedances of the transmitting and receiving channels are evaluated with the aid of a measuring bridge and, in particular, directly compared with each other.
  • 1 shows a schematic representation of a measuring device
  • 2 shows a simplified representation of the electronic circuit
  • Fig. 1 shows a measuring device according to the invention.
  • the mechanically oscillatable unit 1 consists in this embodiment of a pair of forks 2, which is attached to a membrane 3.
  • a - not shown - drive / receiving unit is present, which is an electromechanical transducer and which excites the mechanically oscillatable unit 1 to mechanical vibrations or which receives mechanical vibrations from the mechanically oscillatable unit 1.
  • the drive / receiving unit is, in particular, one or more piezoelectric elements which, on the basis of an applied alternating electrical voltage, execute mechanical oscillations or convert a mechanical oscillation into an electrical alternating voltage.
  • the amplitude, the frequency and / or the phase of the vibrations of the mechanically oscillatable unit 1 are dependent on the interaction with the medium and thus starting can be deduced from the characteristics of the vibrations on these process variables.
  • the frequency decreases when the medium covers the oscillatable unit 1. Effects on the vibrations also have the density or the viscosity of the medium.
  • Behind the diaphragm 3 is a section for screwing the meter into a mating recess (e.g., a thread, flange, or any connection) at the measurement site.
  • a mating recess e.g., a thread, flange, or any connection
  • this level limit is determined by the design of the meter and its location - e.g. in the wall of a tank or other container - given.
  • the process variable is the density or viscosity of the medium
  • the measuring device or the mechanically oscillatable unit is preferably configured and mounted such that a known degree of coverage by the medium - e.g. complete coverage - is given.
  • FIG. 2 shows a variant of the components for implementing the invention.
  • the drive / receiving unit 4 is here divided into two separate units: transmitting element 8 and receiving element 9.
  • These two units may be, for example, two separate and independent piezoelectric elements, which are arranged, for example, in a stack, or it acts the two piezoelectric elements described, for example, in document EP 0 875 740. Since these are piezoelectric elements, the capacitive component is thus the dominant one at the impedance of the two channels.
  • the drive / reception unit 4 is contacted with three lines L1, L2 and L3.
  • the first line L1 is arranged between the transmitting element 8 and the receiving element 9. Since this first line L1 is connected to the ground potential during the measuring phase shown in FIG. 2, the transmitting element 8 and receiving element 9 are quasi decoupled and can be viewed separately or each serve different tasks, as will be described below.
  • the second line L2 is connected to the transmitting element 8 and, during the measuring phase, to the electronic unit 5.
  • the electronic unit 5 serves, in particular, to generate excitation signals and, in one embodiment, is designed, for example, in such a way that it can be used as a generator
  • the first line L1, the second line L2 and the transmitting element 8 thus form the transmission channel 6, via which the excitation signal, which is generated by the electronic unit 5, reaches the transmitting element 8.
  • the transmitting element 8 executes mechanical oscillations which are transmitted to the - not shown here - mechanically oscillatable unit.
  • the receiving element 9 is in turn connected via the third line L3 to the signal input of the electronic unit 5.
  • the first line L1, the third line L3 and the receiving element 9 form the receiving channel 7.
  • the receiving channel 9 converts the mechanical oscillations of the mechanically oscillatable unit dependent on the process variable or the change in the process variable into electrical signals which are transmitted via the receiving channel 9 be transmitted to the Eiektronikü 5 as a received signal.
  • In the electronic unit 5 then takes place the evaluation or further processing of the EmpfangssignaSs.
  • the three switches 14 used here have the corresponding position that they connect the first line L1 to ground and the second and third line, L2 and L3, respectively, to the output or input of the electronic unit 5,
  • the three switches 14 are switched over and thus make other connections.
  • the second and the third line L2, L3 - here in each case via a measuring resistor 15 - connected to ground.
  • the first line L1 is acted upon during the test phase with an electrical signal, which serves quasi the measurement of the capacitances of the transmitting channel 6 and the receiving channel 7. Since the first line L1 is arranged between the transmission element 8 and the reception element 9, both elements 8, 9 are thus simultaneously subjected to this test interrogation signal.
  • the test request signal arrives here from the electronic unit 5, which serves in the measurement phase of the fundamental wave excitation of the mechanically oscillatable unit, to the first line L1 and thereby to the drive / receiver unit 4.
  • the test request signal is, for example, that which was also used during the measurement phase Excitation signal or a specially for the test eg in terms of frequency or shape designed AC signal.
  • the transmission line test signal is tapped from the second line L2 and the reception channel test signal is tapped from the third line L3.
  • These two test signals are each dependent on the impedance values or in particular on the capacitance values of the respective channels 6, 7 and thus allow a statement about the respective impedances / capacitances. This makes it possible in particular to determine whether changes have been made to the drive / receiving unit 4.
  • test unit 10 For the evaluation of the test signals, these are supplied here to a test unit 10. For example, it is a microprocessor that softens the signals, for example, and evaluates them appropriately.
  • two operational amplifiers are provided in the test unit 10, which are once connected as subtracters 11 and once as adders 12.
  • the broadcast channel test signal and the receive channel test signal! compared directly with each other. It thus eliminates a reference capacity, such as in the State of the art is provided.
  • the transmitting element 8 and the receiving element 9 and the associated Kanäie 6, 7 are compared directly with each other and thus serve each other of the referencing.
  • the further components of an evaluation unit for evaluating the transmit channel test signal and the receive channel test signal or of the sum and difference signal are not shown here.
  • the subtractor 11 should provide a zero signal in the event that everything is in order. Accordingly, the capacitance value of the electrical lines L1, L2, L3 should also be considered, i. their design or their capacitance values also play a role when considering the test signals. It should be noted that the functional test is achieved by the symmetrical contacting between the electronics and the transmitting and receiving channel, e.g. is independent of age and temperature, since both channels are subject to the same environmental influences or process conditions.
  • the sum signal of the adder 12 allows to determine whether both channels undergo identical changes or are inferior. If, for example, the contact between the electronic unit 5 and the drive / receiving unit 4 were to be completely torn off, the difference signal would give the value zero, but the sum signal would likewise indicate with a nuity signal that there is an error. That is, the additive merging of the two test signals of the two channels 6, 7 shows symmetrical changes of the two channels 6, 7. Is thus at Difference signal, for example, the deviation from the value zero, a sign for the presence of an asymmetric error, a sum signal, for example below a threshold value means a symmetric error, ie an error that affects both channels equally. However, symmetric errors can also cause a general increase in the sum signal. Therefore, if necessary, specify two limit values and suitable tolerance ranges.
  • the functional test of the measuring device takes place by connecting the existing elements with additional elements during the test phase.
  • the circuit of the measuring device differs - except for the three switches 14 for the switching of the three lines L1, L2, L3 and the fourth switch 16 for generating the resonant circuit of the electronic unit 5 and filter unit 13 - not from that of a normal measuring device without such a test function.
  • the advantage therefore, is that the component of the measuring device used for the measurement remains unchanged and thus behaves like a measuring device without such a functional test.
  • the components required for the test (in particular the switches 14) are then controlled, for example, by the test unit 10 or by the electronic unit 5 or by the unit (not shown) for evaluating the test signals or the sum and difference signals.
  • the switch 16 causes during the test phase that the output signal of the electronic unit 5, which serves as Anreungssignai during the measurement phase, is fed back to the input of the electronic unit 5.
  • the filter 13 contributes, for example, to the fact that, for example, a rectangular signal, which is generated by the electronic unit 5, is converted into a sine signal, for example. This sinusoidal signal is then applied to the input of the electronic unit 5 and is processed there accordingly.
  • a check of the electronic unit 5 is possible via this feedback path, wherein the filter 13 - this is it For example, essentially to a bandpass - the signal influenced accordingly.
  • a frequency of the signal specific to the circle of electronic unit 5 and filter 13 results, which reaches the input of the electronic unit 5. This is an additional test of the electronic unit 5, which, however, is not required for the inventive checking of the two channels 6, 7.
  • Fig. 3 waveforms are shown as they may occur during the test phase. These are schematic examples.
  • the top row shows the test request signal, which is essentially a rectangular signal of a given duration. This is thus the signal which is applied to the transmitting element 8 and the receiving element 9 in order to obtain the test signals dependent on the respective capacitance values of the channels 6, 7.
  • test request signal may also be a sinusoidal or triangular or arbitrarily configured alternating electrical voltage.
  • the test request signal is used to measure the RC elements of the two channels 6, 7.
  • the transmit channel test signal and the receive channel test signal are shown here in the second row, the case being that these two signals are different from each other. So there is an error here. As you can see, one turn drops faster than the other. These are in each case the build-up or end-to-end curves of the two RC elements, which result from the capacitances of the two channels and from the connected resistors 15 (see FIG. 2),
  • the third row shows the difference signal of transmit channel test signal and receive channel test signal. If the capacitance values of the transmission channel and the reception channel were identical, then the difference signal would have to be a zero signal. However, this error signal shows a significant deviation. kick Thus, in the case of the differential signal over a predefinable tolerance range, a deviation from a predefinable desired value, then a corresponding alarm or information for the operator of the measuring device can be generated. Such deviations of the difference signal are indications of asymmetric errors.
  • the fourth line shows the sum signal whose deviations beyond a tolerance range from a nominal value can also be used for monitoring purposes.
  • the sum signal additionally allows checking the total capacity of the two channels. This is advantageous, for example, if an effect has a similar effect on both channels, ie if both channels fail. For example, the tearing off of the two lines carrying the relevant signals for the measurement. To detect such effects, alternative to Differenzsigna! Also, a single test signal of one of the two channels are evaluated. However, in contrast to the described prior art no parallel connection of the two understood as capacitors transmitting and receiving unit instead. When evaluating the total weight, it may be necessary to consider the exceeding of one limit value and the falling below another limit value separately. For example, the formation of a condensate bridge or corrosion products in the connection area can lead to a reduction in the impedance of the channels and thus to an increase in the sum signal.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), mit einer Antriebs-/Empfangseinheit (4), und mit einer Efektronikeinheit (5), wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (4) und die Elektronikeinheit (5) durch einen Sendekanal (6) und einen Empfangskanal (7) miteinander verbunden sind. Die Erfindung beinhaltet, dass eine Testeinheit (10) vorgesehen ist, welche während einer Testphase ein von einem Impedanzwert des Sendekanals (6) abhängiges Sendekanal-Testsignal und ein von einem Impedanzwert des Empfangskanals (7) abhängiges Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Testen einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und Verfahren zur Prüfung einer Vorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, mit mindestens einer Antriebs- /Empfangseinheit, welche ausgehend von einem Anregungssignal die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit, weiche das Anregungssignal erzeugt und welche das Empfangssignal verarbeit, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit und die Elektronikeinheit mindestens durch einen Sendekanal und einen Empfangskanal miteinander verbunden sind, wobei der Sendekana! der Übertragung des Anregungssignals und der Empfangskanal der Übertragung des Empfangssignals dient.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Testen einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, wobei die Vorrichtung mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens eine Antriebs-/Empfangseinheit aufweist, welche ausgehend von einem Anregungssignal die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und weiche von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt, und wobei die Vorrichtung mindestens eine Elektronäkeinheit aufweist, welche das Anregungssignal erzeugt und welche das Empfangssignal verarbeitet, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit und die Eiektronikeinheit derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich mindestens ein Sendekanal und ein Empfangskanai ergeben, wobei der Sendekana! der Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen und der Empfangskanal dem Empfangen der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähige Einheit dient.
Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um Füllstand, Dichte oder Viskosität eines Mediums, welches beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Schüttgut oder allgemein ein Fluid ist. Das Medium befindet sich dabei beispielsweise in einem Behälter.
Im Stand der Technik sind zur Bestimmung des Füllstands und weiterer Prozessgrößen eines Mediums so genannte SchwinggabeSn (z.B. EP 0 444 173 B1 ), Einstäbe (WO 2004/094964 A1 ) oder auch Membranschwinger bekannt. Ausgenutzt wird bei den Messungen mit diesen Vorrichtungen jeweils, dass die Kenngrößen der mechanischen Schwingungen (Schwingungsamplitude, Resonanzfrequenz, Phasengang über Frequenz) der schwingfähigen Einheit vom Kontakt mit dem Medium bzw. auch von dessen Eigenschaften abhängen. So nimmt beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen ab, wenn das Medium die schwingfähige Einheit erreicht und zumindest teilweise bedeckt. Daher lässt sich aus der Abnahme der Schwingungsfrequenz bzw. der Amplitude darauf schließen, dass das Medium einen von der Ausgestaltung und der Position der Anbringung der Vorrichtung abhängigen Füllstand erreicht hat. Weiterhin ist die Schwingungsfrequenz auch beispielsweise von der Viskosität (siehe z.B. EP 1 325 301 ) und der Dichte des Mediums abhängig.
Zur Anregung der jeweiligen mechanisch schwingfähigen Einheiten werden oft piezoelektrische Elemente verwendet, weiche umgekehrt auch die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umwandeln. Weiterhin ist für bestimmte Anwendungen auch eine elektromagnetische Anregung der schwingfähigen Einheit möglich.
Für den sicheren Betrieb solcher Messgeräte ist es insbesondere bei si che rheäts relevanten Anwendungen wächtig, die Funktionalität der Messgeräte regelmäßig zu überprüfen. Insbesondere sind Eigenprüfungen der Geräte sehr beliebt. Ausfallmöglichkeiten bestehen beispielsweise darin, dass die piezoelektrischen Elemente altern oder beispielsweise durch einen Temperaturschock Schaden nehmen oder dass Kontaktierungen sich mit der Zeit und unter den Prozessbedingungen auflösen oder dass sich Kondensat im Messgerät bildet und eine leitende Brücke entsteht.
Eine solche Funktionsüberprüfung wird beispielsweise im Stand der Technik beschrieben in der Schrift WO 2007/101461 A1. Der dortige Grenzstandschalter weist zwei piezo-elektrische Schwingungseinrichtungen auf, welche dem Erzeugen bzw. dem Empfangen der Schwingungen dienen. Für das Testen des Grenzstandschalters werden die beiden piezoelektrischen Schwingungseinrichtungen parallel und in Reihe zu einer Kapazitäts-Messeinrichtung geschaltet. Der Gesamt-Kapazitätswert der beiden parallel geschalteten und somit als Kondensatoren aufgefassten piezoelektrischen Schwingungseinrichtungen wird ausgemessen und in einer Ausgestaltung mit einem Referenzkondensator verglichen. Nachteilig ist daran, dass somit beispielsweise auf die Temperaturabhängigkeit des Kapazitätswerts der piezo-elektrischen Elemente nicht oder nur mit entsprechendem Aufwand eingegangen werden kann. Überdies werden so beispielsweise Fehler oder Mängel an den beiden Elementen, die sich bzgl. des Kapazitätswerts gegenläufig auswirken, nicht erkannt. Weiterhin ist auch die Einstellung des Referenzkondensators aufwendig und bei der Fertigung mit erhöhten Kosten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung bzw. ein Verfahren vorzuschlagen, welche eine Funktionsüberprüfung erlauben, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.
Die Erfändung löst die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung dadurch, dass mindestens eine Testeinheit vorgesehen ist, und dass die Testeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie zumindest während einer Testphase ein von einem Impedanzwert des Sendekanals abhängiges Sendekanai-Testsignal und ein von einem fmpedanzwert des Empfangskanals abhängiges Empfangskanal- Testsignal verarbeitet und/oder auswertet.
Die Vorrichtung ist dabei üblicherweise in der Lage, entweder die Prozessgröße zu bestimmen oder sie reagiert auf das Über- bzw. Unterschreiten eines entsprechenden Grenzwertes. Im letzteren Fall handelt es sich dann um die sog. Grenzstand Schalter. Dies bezieht sich jedoch nicht nur auf den Füllstand, sondern auch auf die anderen Prozessgrößen wie Dichte oder Viskosität des Mediums. Mit der Vorrichtung ist es dabei möglich, die Abweichung von einem bestehenden Grenzwert anzuzeigen bzw. einen Messwert für die Prozessgröße zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit eine Testeinheit auf, welche während einer Testphase zumindest zwei Testsignale auswertet: ein Sendekanal-Testsignal, welches abhängig vom impedanzwert des Sendekanals, und ein Empfangskanal-Testsignal, welches abhängig vom Impedanzwert des Empfangskanals ist. D.h. im Gegensatz zum Stand der Technik wird jeder Kanal einzeln betrachtet. Dadurch ist auch ein direkter Vergleich der beiden Kanäle über deren Impedanzwerte möglich. Haben beispielsweise die beiden Kanäle, d.h. die jeweilige Kombination von Sende- und Empfangselement mit den zugehörigen Leitungen und ggf. vorhandenen Bauelementen, bekannte Verhältnisse der Impedanzen zueinander, so können die beiden Kanäle gegenseitig zur Referenzierung verwendet werden. Jeder Kanal umfasst dabei zumindest die jeweiligen Leitungen zwischen Antriebs- /Empfangseinheit und Elektronikeinheit und auch den jeweiligen Anteil der Antriebs-/Empfangsemheit, welcher am jeweiligen Kanal funktional beteiligt ist. D.h. der Sendekanal besteht zumindest aus den Leitungen, über welche das Anregungssignal übertragen wird, und aus dem für das Erregen der Schwingungen bzw. für das Umwandeln des Anregungssignals in mechanische Schwingungen zuständigen Teils der Antriebs-/Empfangseinheit oder mit anderen Worten: des Sendeteils der Antriebs-/Empfangseinheit. Jeder Kanal weist dabei seinen eigenen Impedanzwert auf, bei weichem je nach Ausgestaltung des Kanals bzw. der Antriebs-/Empfangseinheit der kapazitive oder der induktive Anteil oder der ohmsche Widerstand dominant ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Testeinheit während der Testphase das von einem Kapazitätswert des Sendekanals abhängige Sendekanal-Testsigna! und das von einem Kapazitätswert des Empfangskanals abhängige Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet, oder dass die Testeinheit während der Testphase das von einem Induktivitätswert des Sendekanals abhängige Sendekanal-Testsigna! und das von einem Induktivitätswert des Empfangskanals abhängige Empfangskanal-Testsignai verarbeitet und/oder auswertet. Die Impedanz als komplexer Wechselstromwiderstand ergibt sich aus der Kapazität, der Induktivität und dem Ohmschen Widerstand des jeweiligen Kanals bzw. insbesondere des dem jeweiligen Kanal zugeordneten Anteils der Antriebs-/Empfangseinheit und der jeweiligen Leitungen. In dieser Ausgestaltung wird dabei betont, dass je nach Ausgestaltung der Messvorrichtung bzw. der beiden Kanäle der induktive oder der kapazitive Anteil der Impedanz bestimmend ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Testeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Testeinheit zumindest ein Summensignal aus dem Sendekanal-Testsignal und dem Empfangskanal- Testsignal verarbeitet und/oder auswertet, und/oder dass die Testeinheit zumindest ein Differenzsignal zwischen dem Sendekanal-Testsignal und dem Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet. In dieser Variante werden somit die beiden TestsignaSe über eine Subtrahierschaltung miteinander verglichen und über eine Summierschaltung addiert und die Summe bzw. die Differenz wird ausgewertet. Dies erlaubt eine effektive
Feststellung, ob Abweichungen vom Soüzustand vorhanden sind, indem beide Kanäle der gegenseitigen Referenzierung dienen. Mit anderen Worten: Der Funktionstest besteht in dieser Variante darin, dass die Signale bzw, die damit verbundenen Impedanzen bzw, insbesondere die Kapazitäten des Sende- und des Empfangskanafs direkt miteinander verglichen werden. Alternativ lassen sich die jeweiligen Signale der beiden Kanäle einzeln auswerten. Die Differenz der beiden Signale zeigt im Wesentlichen Änderungen auf, welche asymmetrisch auf beide Kanäle wirken, wohingegen die Summe den Fall signalisiert, dass beide Kanäle im Wesentlichen eine gleichartige Änderung der impedanzwerte erfahren haben.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Testeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Testeinheit im Fall einer Abweichung des Sendekanal-Testsignals und/oder des Empfangskanal- Testsignals und/oder des Summensignais und/oder des Differenzsignals von einem oder mehreren vorgebbaren Grenzwerten über einen oder mehrere vorgebbare Toleranzbereiche hinaus einen Alarm erzeugt. In dieser
Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass entweder die einzelnen Signale oder die Summen- bzw. Differenzsignaie oder eine Kombination aus diesen Signalen mit passend vorgebbaren Grenzwerten verglichen werden und dass bei Abweichungen über jeweilige Toleranzwerte hinaus ein Alarm erzeugt wird, wobei dieser Alarm ein entsprechender Hinweis auf einen Fehlerzustand bzw. auf eine Abweichung vom zu erwartenden Sollwert darstellt. Wird das Differenzsignal ausgewertet, so ist der zu erwartende Grenzwert beispielsweise Null bei identischer Ausgestaltung der beiden Kanäle in Hinsicht auf ihre elektrischen Eigenschaften,
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein Sendeelement und ein Empfangselement aufweist, wobei das Sendeelement der Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen dient, und wobei das Empfangselement dem Empfangen der mechanischen
Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit dient. Das Sende- und das Empfangselement sind beispielsweise zwei piezo-elektrische Elemente, weiche in einem Stapel übereinander, d.h. in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sende- und dem Empfangselement um zwei pianar in einer Ebene angeordnete piezo-elektrische Elemente. Das Sende- und das Empfangselement sind dabei jeweils Bestandteil des zugehörigen Sendebzw. Empfangskanals.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mit mindestens einer ersten Leitung, einer zweiten Leitung und einer dritten Leitung kontaktiert ist. Die Verbindung zwischen
Antriebs-/Empfangseinheit und Elektronikeinheit besteht somit zumindest aus drei Leitungen. In einer Ausgestaltung ist eine der drei Leitungen während der Messphasen mit Masse verbunden und auf den beiden anderen Leitungen werden das Anregungs- bzw. das Empfangssignal übertragen. Bei diesen beiden Signalen handelt es sich insbesondere um elektrische
Wechselspannungssägnaie, so dass sich über die mit Masse verbundene dritte Leitung das Referenzpotential ergibt. Damit geht beispielsweise einher, dass die Masseleitung sowohl als Bestandteil des Sende-, als auch des Empfangskanals verstanden werden kann.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Sendeelement, die erste Leitung und die zweite Leitung zumindest teilweise den Sendekanal bilden, und dass das Empfangselement, die erste Leitung und die dritte Leitung zumindest teilweise den Empfangskanal bilden. Das Sendeelement und das Empfangselement werden somit jeweils mit ihren
Leitungen zu Kanälen zusammengefasst. Je nach Ausgestaltung können noch weiteren Bauteile oder Elemente als Teil der Kanäle angesehen werden.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die erste Leitung während einer Messphase mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse, verbunden ist, dass die zweite Leitung während der Messphase mit dem Anregungssignal beaufschlagt ist, und dass die dritte Leitung während der Messphase mit dem Empfangssigna! beaufschlagt ist. Die erste Leitung ist während der Messphase, also während der Zeit, in welcher das Messgerät seine Aufgaben erfüllt, vorzugsweise mit Masse verbunden und stellt somit auch eine Trennung zwischen Sende- und Empfangskana! bzw. zwischen Sende- und Empfangselement her. Die zweite und die dritte Leitung dienen demgegenüber dem Übertragen des Anregungsbzw, des Empfangssignals. Bei beiden Signalen handelt es sich vorzugsweise um elektrische Wechselspannungen.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die erste Leitung während der Testphase mit der Elektronikeinheit kontaktiert ist, dass die zweite Leitung während der Testphase, insbesondere über mindestens einen Messwiderstand, mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse, verbunden ist, und dass die dritte Leitung während der Testphase, insbesondere über mindestens einen
Messwiderstand, mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse, verbunden ist. In der Testphase werden hier die zweite und die dritte Leitung mit Masse verbunden und die erste Leitung wird mit der Elektronikeinheit kontaktiert. Da die erste Leitung ein Bestandteil sowohl des Empfangs-, als auch des Sendekanals ist, lässt sich somit auch leicht ein passendes Anrege- oder Testsignal für die Durchführung des Funktionstests auf die beiden Kanäle geben, Die Elektronikeinheit wird hier sowohl für die Messung, als auch für die Erzeugung des Anrege- oder Testsignals verwendet. Dies vereinfacht den Aufbau. Alternativ kann jedoch auch eine zusätzliche Einheit verwendet werden, welche ein passendes Signal erzeugt. Die beiden Messwiderstände, über welche die zweite und dritte Leitung jeweils mit einem konstanten Potential, vorzugsweise Masse verbunden sind, erlauben jeweils den Abgriff des Sendekanal- bzw. des Empfangskanal- Testsignals.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die erste Leitung während der Testphase mit einem Testabfragesignal beaufschlagt ist. Bei dem Testabfragesignal handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Spannungssignal, welches die Ausmessung der Impedanzen oder insbesondere der Kapazitäten erlaubt.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass mindestens eine Filtereinheit vorgesehen ist, dass die Filtereinheit und die Elektronikeinheit zumindest während der Testphase einen Schwingkreis mit einer vorgebbaren Resonanzfrequenz bilden, und dass die Filtereinheit während der Testphase ein Ausgangssignal der Eiektronikeinheit modifiziert und das modifizierte Ausgangssignal an die Eiektronikeinheit zurückgibt. Die Filtereinheit und die Elektronikeinheit bilden somit während der Testphase einen zusätzlichen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz sich über die Ausgestaltung z.B. der Fiitereinheit einstellen lässt. Dieser Schwingkreis kann entsprechend für den Funktionstest der Elektronikeinheit verwendet werden. Bei der Filtereinheit handelt es sich beispielsweise im Wesentlichen um einen Bandpass, der auf eine bestimmte Frequenz eingestellt ist. Handelt es sich bei dem Anregungssignal beispielsweise um ein Rechtecksignal, so wird durch die Filtereinheit auch dieses Ausgangssignal der Eiektronikeinheit beispielsweise in ein sinusförmiges - andere Varianten sind auch möglich - Signal umgewandelt. Die in dieser Ausgestaltung vorgesehene Filtereinheit ist derartig ausgestaltet, dass sie eine Amplitude, eine Frequenz oder eine Phase erzeugt, über welche eine Aussage über die Elektronik (insbesondere der Grundwellenanregung) möglich ist. Dieses modifizierte Anregungssignal gelangt dann wieder zum Eingang der Elektronikeinheit und wird dort passend verarbeitet bzw. ausgewertet.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Element und/oder ein elektromagnetisches Element aufweist. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Varianten zur Übertragung zwischen den mechanischen Schwingungen und den zugehörigen elektrischen Signalen bekannt. Je nach Ausgestaltung ist dabei dann die kapazitive bzw. induktive Komponente der Impedanz des jeweiligen Kanals dominant.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit in der Art einer Schwinggabe! ausgestaltet ist, oder dass die mechanisch schwingfähige Einheit in der Art eines Einstabes ausgestaltet ist, oder dass die mechanisch schwingfähige Einheit in der Art eines Membran-Schwingers ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte oder um die Viskosität eines Mediums, insbesondere in einem Behälter, handelt.
Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich des Verfahrens dadurch, dass mindestens während einer Testphase ein von einem Impedanzwert des Sendekanals abhängiges Sendekanal-Testsignal und ein von einem Impedanzwert des Empfangskanals abhängiges Empfangskanai-Testsignal miteinander ausgewertet werden.
Die oben genannten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die zugehörigen Erläuterungen gelten dabei auch entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
Zusammengefasst besteht die Erfindung darin, dass die Impedanzen des Sende- und des Empfangselements der Antriebs-/Emρfangseinheit bzw. die Impedanzen des Sende- und des Empfangskanals mit Hilfe einer Messbrücke ausgewertet und insbesondere direkt miteinander verglichen werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert, Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung, Fig. 2: eine vereinfachte Darstellung der Eiektronikschaltung, und
Fig. 3: beispielhafte Signalverläufe von auftretenden Signalen.
Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messgerät. Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 besteht in dieser Ausgestaltung aus einem Paar von Gabelzinken 2, welches an einer Membran 3 befestigt ist. Auf der Innenseite der Membran 3 ist eine - hier nicht dargestellte - Antriebs-/Empfangseinheit vorhanden, welche ein elektromechanischer Wandler ist und welche die mechanisch schwingfähige Einheit 1 zu mechanischen Schwingungen anregt bzw. welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 mechanische Schwingungen empfängt. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich dabei in dieser Ausgestaltung insbesondere um eines oder mehrere piezoelektrische Elemente, weiche ausgehend von einer anliegenden elektrischen Wechselspannung mechanische Schwingungen ausführen bzw. weiche eine mechanische Schwingung in eine elektrische Wechselspannung umwandeln.
Für die Messung bzw. Überwachung der Prozessgrößen wie Füllstand, Dichte oder Viskosität eines Mediums wird dabei ausgenutzt, dass die Amplitude, die Frequenz und/oder die Phase der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 von der Wechselwirkung mit dem Medium abhängig sind und dass somit ausgehend von den Kenngrößen der Schwingungen auf diese Prozessgrößen rückgeschlossen werden kann. So sinkt beispielsweise die Frequenz, wenn das Medium die schwingfähige Einheit 1 bedeckt. Auswirkungen auf die Schwingungen haben auch die Dichte oder die Viskosität des Mediums.
Andere - hier nicht dargestellte - Ausführungen der mechanisch schwingfähigen Einheiten weisen Einstäbe oder nur die Membran auf, d.h. mit dem Medium tritt in diesen Fällen nur ein Stab oder nur die Membran in Wechselwirkung.
Hinter der Membran 3 befindet sich ein Abschnitt zum Einschrauben des Messgerätes in eine passende Aussparung (z.B. ein Gewinde, ein Flansch oder ein beliebiger Anschluss) am Messort. Dient das Messgerät beispielsweise als Grenzstandschalter, so ist dieser Grenzstand des Füllstands durch die Ausgestaltung des Messgerätes und dessen Ort der Anbringung - z.B. in der Wandung eines Tanks oder sonstigen Behälters - vorgegeben. Für den Fall, dass es sich bei der Prozessgröße um Dichte oder Viskosität des Mediums handelt, ist das Messgerät bzw. die mechanisch schwingfähäge Einheit vorzugsweise derartig ausgestaltet und angebracht, dass jeweils ein bekannter Grad der Bedeckung durch das Medium - z.B. vollständige Bedeckung - gegeben ist.
In der Fig. 2 ist eine Variante der Komponenten für die Umsetzung der Erfindung dargestellt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 4 ist hier in zwei getrennte Einheiten aufgeteilt: Sendeelement 8 und Empfangseiement 9. Bei diesen beiden Einheiten kann es sich beispielsweise um zwei getrennte und eigenständige piezo-elektrische Elemente handeln, welche beispielsweise in einem Stapel angeordnet sind, oder es handelt sich um die beiden piezoelektrischen Elemente, wie beispielsweise beschrieben im Dokument EP 0 875 740. Da es sich hier um piezoelektrische Elemente handelt, ist somit der kapazitive Anteil der dominante an der Impedanz der beiden Kanäle.
Die Antriebs-/Empfangseinheit 4 ist mit drei Leitungen L1 , L2 und L3 kontaktiert. Die erste Leitung L1 ist dabei zwischen dem Sendeelement 8 und dem Empfangselement 9 angeordnet. Da diese erste Leitung L1 während der hier in Fig. 2 dargestellten Messphase mit dem Massepotentiaä verbunden ist, sind das Sendeelement 8 und Empfangselement 9 quasi entkoppelt und können getrennt betrachtet werden bzw. dienen auch jeweils unterschiedlichen Aufgaben, wie im Folgenden beschrieben wird. Die zweite Leitung L2 ist mit dem Sendeelement 8 und - während der Messphase - mit der Eiektronikeinheit 5 verbunden. Die Eiektronikeinheit 5 dient insbesondere der Erzeugung von Anregungssignaien und ist in einer Ausgestaltung beispielsweise derartig ausgestaltet, dass sie der
Grundwellenanregung der mechanisch schwingfähigen Einheit dient.
Die erste Leitung L1 , die zweite Leitung L2 und das Sendeelement 8 bilden damit den Sendekanal 6, über welchen das Anregungssignal, welches von der Elektronikeinheit 5 erzeugt wird, zum Sendeelement 8 gelangt. Ausgehend von dem Anregungssignal führt das Sendeelement 8 dann mechanische Schwingungen aus, welche auf die - hier nicht dargestellte - mechanisch schwingfähige Einheit übertragen werden.
Das Empfangseiement 9 ist wiederum über die dritte Leitung L3 mit dem Signaleingang der Eiektronikeinheit 5 verbunden. Dabei bilden die erste Leitung L1 , die dritte Leitung L3 und das Empfangselement 9 den Empfangskanal 7. Der Empfangskanal 9 wandelt die von der Prozessgröße bzw. der Änderung der Prozessgröße abhängigen mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit in elektrische Signale um, welche über den Empfangskanal 9 an die Eiektronikeinheit 5 als Empfangssignal übertragen werden. In der Elektronikeinheit 5 findet dann die Auswertung bzw. Weiterverarbeitung des EmpfangssignaSs statt.
In der hier dargestellten Messphase haben somit die hier verwendeten drei Schalter 14 die entsprechende Stellung, dass sie die erste Leitung L1 mit Masse und die zweite und dritte Leitung, L2 bzw. L3, mit dem Ausgang bzw. Eingang der Elektronikeinheit 5 verbinden,
Für die Testphase werden die drei Schalter 14 umgeschaltet und stellen somit andere Verbindungen her. In der - hier nicht dargestellten - Testphase sind die zweite und die dritte Leitung L2, L3 - hier jeweils über einen Messwiderstand 15 - mit Masse verbunden.
Die erste Leitung L1 wird hingegen während der Testphase mit einem elektrischen Signal beaufschlagt, welches quasi der Ausmessung der Kapazitäten von Sendekanal 6 und Empfangskanal 7 dient. Da die erste Leitung L1 zwischen Sendeelement 8 und Empfangselement 9 angeordnet ist, werden somit auch beide Elemente 8, 9 gleichzeitig mit diesem Testabfragesignal beaufschlagt. Das Testabfragesignai gelangt hier von der Eiektronikeinheit 5, weiches in der Messphase der Grundwellenanregung der mechanisch schwingfähigen Einheit dient, auf die erste Leitung L1 und dadurch zur Antriebs-/Empfangseinheit 4. Bei dem Testabfragesignal handelt es sich dabei beispielsweise um das auch während der Messphase verwendete Anregungssignal oder um ein speziell für den Test z.B. in Bezug auf Frequenz oder Form ausgestaltetes Wechselspannungssignal.
Während der Testphase wird von der zweiten Leitung L2 das Sendekanal- Testsignal und von der dritten Leitung L3 das Empfangskanal-Testsignal abgegriffen. Diese beiden Testsignale sind jeweils abhängig von den Impedanzwerten bzw. insbesondere von den Kapazitätswerten der jeweiligen Kanäle 6, 7 und erlauben somit eine Aussage über die jeweiligen Impedanzen / Kapazitäten. Damit lässt sich insbesondere feststellen, ob sich Änderungen an der Antriebs-/Empfangseinheit 4 ergeben haben.
Für die Auswertung der Testsignale werden diese hier einer Testeinheit 10 zugeführt. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor, weicher die Signale beispielsweise digitalisiert und passend auswertet. In der hier dargestellten Variante sind in der Testeinheit 10 zwei Operationsverstärker vorgesehen, welche einmal als Subtrahierer 11 und einmal als Addierer 12 beschältet sind. Somit werden in dieser Variante das Sendekanai-Testsignal und das Empfangskanal-Testsigna! direkt miteinander verglichen. Es entfällt somit eine Referenzkapazität, wie sie beispielsweise im Stand der Technik vorgesehen ist. Hier werden das Sendeelement 8 und das Empfangselement 9 bzw. die zugehörigen Kanäie 6, 7 direkt miteinander verglichen und dienen somit gegenseitig der Referenzierung. Die weiteren Bestandteile einer Auswerteeinheit zur Auswertung des Sendekanal- Testsignals und des Empfangskanal-Testsignals bzw. des Summen- und Differenzsignals ist hier nicht dargestellt.
In dem Fall, dass die beiden Elemente 8, 9 identisch ausgestaltet sind und insbesondere den gleichen Kapazitätswert aufweisen, sollte beispielsweise der Subtrahierer 11 ein Nullsignal liefern für den Fall, dass alles in Ordnung ist. Entsprechend ist dabei auch der Kapazitätswert der elektrischen Leitungen L1 , L2, L3 zu bedenken, d.h. auch deren Ausgestaltung bzw. deren Kapazitätswerte spielen bei der Betrachtung der Testsignale eine Rolle. Es ist zu erwähnen, dass der Funktionstest durch die symmetrische Kontaktierung zwischen Elektronik und dem Sende- und Empfangskanal z.B. alterungs- und temperaturunabhängig ist, da beide Kanäle den gleichen Umwelteinflüssen bzw. Prozessbedingungen unterliegen.
Ist beispielsweise eine Kontaktstelle nicht mehr in Ordnung und ändert sich dadurch der Kapazitätswert einer der beiden Kanäle, so ist dies durch die Auswertung der beiden Testsignale zu erkennen. Die Differenz gibt somit insbesondere darüber Auskunft, ob die Kanäle eine unterschiedliche Entwicklung ihrer Kapazitätswerte erfahren haben.
Das Summensignal des Addierers 12 erlaubt es festzustellen, ob beide Kanäle identischen Veränderungen unterliegen oder unterlegen sind. Würde beispielsweise der Kontakt zwischen Eiektronikeinheit 5 und Antriebs- /Empfangseinheit 4 vollständig abreißen, so würde das Differenzsignal den Wert Null geben, aber das Summensignal würde ebenfalls mit einem Nuilsignal den Hinweis darauf geben, dass ein Fehler vorliegt. D.h. das additive Zusammenführen der beiden Testsignale der beiden Kanäle 6, 7 zeigt symmetrische Veränderungen der beiden Kanäle 6, 7 auf. Ist somit beim Differenzsignal beispielsweise die Abweichung vom Wert Null ein Zeichen für das Vorliegen eines asymmetrischen Fehlers, so bedeutet ein Summensignai beispielsweise unterhalb eines Grenzwertes einen symmetrischen Fehler, d.h. eines Fehlers, welcher beide Kanäle gleichermaßen betrifft. Symmetrische Fehler können jedoch auch eine generelle Erhöhung des Summensignals bewirken. Daher sind ggf. zwei Grenzwerte nebst passenden Toleranzbereichen vorzugeben.
Wie zu erkennen, findet die Funktionsprüfung des Messgerätes dadurch statt, dass die bestehende Elemente mit zusätzlichen Elementen während der Testphase verbunden werden. In der Messphase unterscheidet sich die Schaltung des Messgerätes jedoch - bis auf die drei Schalter 14 für die Umschaltung der drei Leitungen L1 , L2, L3 und den vierten Schalter 16 zur Erzeugung des Schwingkreises aus Elektronikeinheit 5 und Filtereinheit 13 - nicht von der eines normalen Messgerätes ohne eine solche Testfunktion. Der Vorteil besteht somit darin, dass der der Messung dienende Bestandteil des Messgerätes unverändert bleibt und sich somit gleich einem Messgerät ohne eine solche Funktionsprüfung benimmt. Die für den Test erforderlichen Bestandteile (insbesondere die Schalter 14) werden dann beispielsweise durch die Testeinheit 10 oder durch die Elektronikeinheit 5 oder durch die - hier nicht dargestellte - Einheit zur Auswertung der Testsignale bzw. des Summen- und des Differenzsignals gesteuert.
Der Schalter 16 bewirkt während der Testphase, dass das Ausgangssignal der Elektronikeinheit 5, welches während der Messphase als Anregungssignai dient, auf den Eingang der Elektronikeinheit 5 zurückgekoppelt wird. Der Filter 13 trägt beispielsweise dazu bei, dass beispielsweise ein Rechtecksignal, weiches von der Elektronikeinheit 5 erzeugt wird, beispielsweise in ein Sinussignal umgewandelt wird. Dieses Sinussignal wird dann an den Eingang der Elektronikeinheit 5 gegeben und wird dort entsprechend verarbeitet. Über diesen Rückkopplungspfad ist somit auch eine Überprüfung der Elektronikeinheit 5 möglich, wobei der Filter 13 - hierbei handelt es sich beispielsweise im Wesentlichen um einen Bandpass - das Signal entsprechend beeinflusst. In der Testphase ergibt sich eine für den Kreis aus Elektronikeinheit 5 und Filter 13 spezifische Frequenz des Signals, welches an den Eingang der Elektronikeinheit 5 gelangt. Dies ist ein zusätzlicher Test der Elektronikeinheit 5, welcher jedoch nicht erforderlich für die erfindungsgemäße Überprüfung der beiden Kanäle 6, 7 ist.
In der Fig. 3 sind Signalverläufe dargestellt, wie sie während der Testphase auftreten können. Dabei handelt es sich um schematische Beispiele.
in der obersten Reihe ist das Testabfragesignal zu sehen, bei weichem es sich hier im Wesentlichen um ein Rechtecksignal einer vorgegebenen Dauer handelt. Dies ist somit das Signal, welches auf das Sendeelement 8 und das Empfangseiement 9 gegeben wird, um die von den jeweiligen Kapazitätswerten der Kanäle 6, 7 abhängigen Testsignale zu erhalten.
Alternativ kann das Testabfragesignai jedoch auch eine sinusförmige oder dreieckförmig oder beliebig ausgestaltete elektrische Wechselspannung sein. Das Testabfragesignal dient im Blick auf die Fig. 2 dazu, die RC-Glieder der beiden Kanäle 6, 7 auszumessen.
Das Sendekanal-Testsignal und das Empfangskanai-Testsignal sind hier in der zweiten Reihe dargestellt, wobei der Fall zu sehen ist, dass sich diese beiden Signale voneinander unterscheiden. Es liegt somit hier ein Fehlerfall vor. Wie zu sehen, fällt die eine Kurve schneller als die andere Kurve ab. Dabei handelt es sich jeweils um die Auf- bzw. Endtadekurven der beiden RC- Glieder, welche sich durch die Kapazitäten der beiden Kanäle und durch die hinzugeschalteten Widerstände 15 (siehe Fig. 2) ergeben,
Die dritte Reihe zeigt das Differenzsignal von Sendekanal-Testsignal und Empfangskanal-Testsignal. Wären die Kapazitätswerte von Sende- und das Empfangskanal identisch, so müsste das Differenzsignai ein Nullsignal sein. In diesem Fehlersignal zeigt sich jedoch eine deutliche Abweichung davon. Tritt somit beim Differenzsignal über einen vorgebbaren Toleranzbereich hinaus eine Abweichung von einem vorgebbaren Sollwert auf, so kann ein entsprechender Alarm bzw. Hinweis für den Betreiber des Messgerätes erzeugt werden. Solche Abweichungen des Differenzsignals sind dabei Anzeichen für asymmetrische Fehler.
Bei der Auswertung der Brückenspannungen in der Messbrücke über den Subtrahierer werden Unsymmetrien zwischen den beiden Pfaden bzw. Kanälen offenbar. Somit kann z.B. ein Kabelbruch innerhalb eines Kanals oder auch ein Bruch des piezo-elektrischen Elements oder eines der Elemente innerhalb eines Stapels detektiert werden, da sich dadurch die Kapazität in einem der beiden Kanäle ändert. Da das Sende- und das Empfangseiement vorzugsweise über gleichlange Leitungen mit der Elektronikeinheit verbunden sind, welche auch von der Elektronikeinheit räumlich gemeinsam zum Antriebs-/Empfangseinheit geführt werden, sind die das Sende- und das
Empfangselement und die Leitungen Temperatureinflüssen gleichermaßen ausgesetzt. Daher verfälscht die Temperatur die Messung nicht und der Sensorzustand kann deutlich genauer als im Stand der Technik durch die Messung des Differenzsignais erfasst werden. Zudem wirken sich auch die Alterung des P iezo Werkstoffs und piezoelastische Eigenschaften (z.B. die Kapazitätsänderung durch einen vom Prozess auf die Membran bzw. die darunter bzw. im Gehäuseinneren befindliche Antriebs-/Empfangseinheit lastender Druck) im gleichen Maße auf beide Elemente.
In der vierten Zeile ist das Summensignal dargestellt, dessen Abweichungen über einen Toleranzbereich hinaus von einem Sollwert ebenfalls zur Überwachung herangezogen werden kann. Das Summensignai erlaubt zusätzlich noch die Überprüfung der Gesamtkapazität der beiden Kanäle. Dies ist beispieisweise dann vorteilhaft, wenn ein Effekt sich gleichartig auf beide Kanäle auswirkt, d.h. z.B. beim Ausfall beider Kanäle. So zum Beispiel das Abreißen der beiden die jeweiligen für die Messung relevanten Signale führende Leitungen. Um solche Effekte zu erkennen, kann alternativ zum Differenzsigna! auch ein einzelnes Testsignal einer der beiden Kanäle ausgewertet werden. Dabei findet jedoch im Gegensatz zum geschilderten Stand der Technik kein Parallelschalten der beiden als Kondensatoren verstandenen Sende- und Empfangseinheit statt. Bei der Auswertung des Summensägnals ist ggf. das Überschreiten eines Grenzwerts und das unterschreiten eines anderen Grenzwerts getrennt zu betrachten. Beispielsweise können die Bildung einer Kondensatbrücke oder Korrosionsprodukte im Anschlussbereich zu einer Verminderung der Impedanz der Kanäle und somit zu einer Erhöhung des Summensignals führen.
Die Auswertung von Differenz- und Summensigna! erhöht somit den informatäonsgewinn und es lassen sich mehr Fehler aufdecken.
Bezugszeichenliste
1 Mechanisch schwingfähige Einheit
2 Gabelzinken
3 Membran
4 Antriebs-/Empfangseinheit
5 Elektronikeinheit
6 Sendekanai
7 Empfangskanal
8 Sendeelement
9 Empfangseiement
10 Testeinheit
11 Subtrahierer
12 Addierer
13 Filtereinheit
14 Schalter
15 Messwiderstand
16 Schalter
L1 Erste Leitung
L2 Zweite Leitung
L3 Dritte Leitung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ), mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (4), welche ausgehend von einem Anregungssignai die mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ) mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssigna! umwandelt, und mit mindestens einer Eiektronikeinheit (5), welche das Anregungssignal erzeugt und welche das Empfangssignal verarbeit, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (4) und die Elektronikeänheit (5) mindestens durch einen Sendekanai (6) und einen Empfangskanal (7) miteinander verbunden sind, wobei der Sendekanal (6) der Übertragung des Anregungssignals und der Empfangskanal (7) der Übertragung des Empfangssignals dient, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Testeinheit (10) vorgesehen ist, und dass die Testeinheit (10) derartig ausgestaltet ist, dass sie zumindest während einer Testphase ein von einem Impedanzwert des Sendekanals (6) abhängiges Sendekanal-Testsignal und ein von einem Impedanzwert des Empfangskanals (7) abhängiges Empfangskanal-Testsigna! verarbeitet und/oder auswertet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) während der Testphase das von einem
Kapazitätswert des Sendekanals (6) abhängige SendekanaS-Testsignal und das von einem Kapazitätswert des Empfangskanals (7) abhängige Empfangskanal-Testsignai verarbeitet und/oder auswertet, oder dass die Testeinheit (10) während der Testphase das von einem Induktivitätswert des Sendekanals (6) abhängige Sendekanal-Testsignal und das von einem induktivitätswert des Empfangskanals (7) abhängige Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) derartig ausgestaltet ist, dass die Testeinheit (10) zumindest ein Summensignal aus dem Sendekanal- Testsignal und dem Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet, und/oder dass die Testeinheit (10) zumindest ein Differenzsignal zwischen dem Sendekanal-Testsignal und dem Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) derartig ausgestaltet ist, dass die Testeinheit (10) im Fall einer Abweichung des Sendekanal- Testsignals und/oder des Empfangskanal-Testsignals und/oder des Summensignals und/oder des Differenzsignals von einem oder mehreren vorgebbaren Grenzwerten über einen oder mehrere vorgebbare Toleranzbereiche hinaus einen Alarm erzeugt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (4) mindestens ein Sendeelement (8) und ein Empfangselement (9) aufweist, wobei das Sendeelement (8) der Anregung der mechanisch schwingfähigeπ Einheit (1 ) zu mechanischen Schwingungen dient, und wobei das Empfangselement (9) dem Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ) dient.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (4) mit mindestens einer ersten Leitung (L1 ), einer zweiten Leitung (L2) und einer dritten Leitung (L3) kontaktiert ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelement (8), die erste Leitung <L1 ) und die zweite Leitung (L2) zumindest teilweise den Sendekana! (6) bilden, und dass das Empfangselement (9), die erste Leitung (L1 ) und die dritte Leitung (L3) zumindest teilweise den Empfangskana! (7) bilden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (L1) während einer Messphase mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse, verbunden ist, dass die zweite Leitung (L2) während der Messphase mit dem Anregungssignal beaufschlagt ist, und dass die dritte Leitung (L3) während der Messphase mit dem Empfangssignal beaufschlagt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (L1 ) während der Testphase mit der Elektronikeinheit (5) kontaktiert ist, dass die zweite Leitung (L2) während der Testphase, insbesondere über mindestens einen Messwiderstand (15), mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse, verbunden ist, und dass die dritte Leitung (L3) während der Testphase, insbesondere über mindestens einen Messwiderstand (15), mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse, verbunden ist.
10.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (L1 ) während der Testphase mit einem Testabfragesigna! beaufschlagt ist.
11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Filtereinheit (13) vorgesehen ist, dass die Filtereinheit (13) und die Elektronikeinheit (5) zumindest während der Testphase einen Schwingkreis mit einer vorgebbaren Resonanzfrequenz bilden, und dass die Filtereinheit (13) während der Testphase ein Ausgangssignal der
Elektronikeinheit (5) modifiziert und das modifizierte Ausgangssignal an die Elektronikeinheit (5) zurückgibt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (4) mindestens ein piezoelektrisches Element und/oder ein elektromagnetisches Element aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) in der Art einer Schwinggabe! ausgestaltet ist, oder dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) in der Art eines Einstabes ausgestaltet ist, oder dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) in der Art eines Membran- Schwingers ausgestaltet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte oder um die Viskosität eines Mediums, insbesondere in einem Behälter, handelt.
15. Verfahren zum Testen einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, wobei die Vorrichtung mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens eine Antriebs-/Empfangseinheit (4) aufweist, welche ausgehend von einem Anregungssignal die mechanisch schwingfähige Einheit (1 ) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ) mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignai umwandelt, und wobei die Vorrichtung mindestens eine Elektronikeinheät (5) aufweist, welche das Anregungssignal erzeugt und welche das Empfangssigna! verarbeitet, wobei die Anthebs-/Empfangseinheit (4) und die Elektronikeinheit (5) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich mindestens ein Sendekanal (6) und ein Empfangskanal (7) ergeben, wobei der Sendekanal (6) der Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (1 ) zu mechanischen Schwingungen und der Empfangskanal (7) dem Empfangen der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähige
Einheit (1 ) dient, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während einer Testphase ein von einem fmpedanzwert des
Sendekanals (6) abhängiges Sendekanal-Testsignal und ein von einem
Impedanzwert des Empfangskanals (7) abhängiges Empfangskana!-
Testsignal miteinander ausgewertet werden.
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