WO2011079999A2 - VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE Download PDF

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WO2011079999A2
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drive
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Sascha D'angelico
Simon Tempel
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Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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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

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining at least one process variable of a medium in a container or in a pipeline,
  • the device is, for example, a measuring device for determining the fill level, the density, the viscosity, or the pressure of a medium.
  • Determination or monitoring of one or more process variables of a medium known.
  • vibronic measuring devices are used, which are mounted on the height to be monitored in the container.
  • Vibronic measuring devices generally have two fork-like arranged rods, which via a membrane from a drive unit to antiphase
  • Vibrations are excited in the resonant frequency. Also known are so-called membrane oscillators without additional oscillatory unit, or rods. The drive takes place via piezoelectric elements. If the oscillating system is covered with the measuring medium, the oscillation is damped and the
  • Such vibronic measuring devices with a tuning fork for liquid level detection are by the applicant under the
  • Process temperature is required, for example, to detect the achievement of a maximum allowable for a sensor process temperature.
  • a temperature measurement is possible by using an additional temperature sensor externally, i. is introduced outside of the level or density meter via a separate process connection in the container.
  • the temperature sensor is connected to the evaluation computer together with the density meter.
  • Each additional process connection poses an additional risk in terms of tightness and hygiene of the process, which is why it is desirable to integrate the temperature measurement into an already required measuring device and thus to save an additional process connection.
  • the object of the invention is a device for determining
  • the first element consists of a first material and has a first connecting line, which contacts the first element with a first end region
  • that the second element consists of a second material and has a second connecting line, which the second element is contacted with a first end region that the first connecting line and the second connecting line are supplied with a second end portion of a temperature determining unit, which a
  • Reference temperature T re f is exposed, that the first material and the second material are selected and matched to one another, that between the first material and the second material at the contact point of the difference of the process temperature T p and the reference temperature T re f dependent
  • Thermal voltage U t h is formed, and that the temperature determination unit measures the thermal voltage U t h and determines the process temperature T p .
  • the elements required for temperature measurement are thus mainly components of the measuring device which are present anyway, expanded by connection wires or contact lines in order to allow the measurement of the thermoelectric voltage.
  • the materials of two suitable components of the meter are chosen so that a thermoelectric voltage results between them. This is proportional to the temperature difference between process temperature and
  • thermoelectric voltage zero. So no temperature measuring element is introduced separately into the meter, but a thermocouple from existing and necessary for the function of the meter components formed.
  • the second material is stainless steel and the first material is essentially a nickel-chromium compound.
  • the device is a fill level measuring device for determining and / or monitoring a limit level of a medium in a container or a pipeline, with a substantially tubular sensor housing, wherein one of the two
  • End sides of the sensor housing is designed as a membrane, with a mounted on the outside of the membrane vibratable element, which forms a vibratable unit with the membrane, with a drive / receiving unit, with a punch, which as a contact piece between the drive / receiving unit and the Membrane is arranged and contacts the membrane at the contact point, with a clamping device, which the drive / receiving unit against the
  • Temperature sensor introduced into the already narrow space in the drive unit. Rather, the existing elements stamp and membrane or sensor housing receive another function.
  • the membrane is part of the
  • Sensor housing or attached in the form of a separate component to the sensor housing, for example by welding. Since it is a fixed one
  • thermocouple is not only formed by the membrane alone, but also by the sensor housing.
  • Process-facing side of the sensor housing is only a lead from the stamp to pass through the jig in the past behind this area of the sensor housing.
  • the materials of stamp and sensor housing or membrane are to be selected according to their additional function.
  • Temperature determination unit are in the behind the jig part of the sensor housing can be introduced, which provides enough space.
  • the punch and the first connecting line are made of the first material, which has a first Seebeck coefficient a1
  • the membrane and the second connecting line are made of the second material, which has a second Seebeck coefficient a2 where a1 is different from a2.
  • the Seebeck coefficient is one
  • Thermal stress which can form between two materials, depends on the difference of these values, i. the larger the difference
  • a development of the invention provides that the temperature determination unit is arranged on the side of the clamping device facing away from the drive / receiving unit.
  • the temperature determination unit is arranged on the side of the clamping device facing away from the drive / receiving unit.
  • the electronics of the meter is the electronics of the meter.
  • the temperatures occurring are generally in one
  • Process temperatures are.
  • the temperature determination unit is thus protected against very high process temperatures, which could adversely affect their functionality.
  • the temperature determination unit is integrated in the control / evaluation unit.
  • this is a
  • the drive / receiving unit consists of piezoelectric elements and the first connecting line is guided together with contact lines of the piezoelectric elements through the clamping device.
  • the contact lines of piezoelectric elements are applied to a flexible printed circuit board.
  • the connecting line is preferably designed as a further conductor track on the same printed circuit board.
  • the invention relates to a method for determining the
  • Process temperature with a meter to determine one of the temperature various process variable in a container or a pipe which has at least a first element and a second element, which for
  • Determining the process variable are necessary components of the measuring device, and which touch at a contact point which is exposed to the process temperature T p .
  • the object is achieved with respect to the method in that the first element of a first material M1 and the second element of a second material M2 are made, that the first element with a first connecting line and the second element are contacted with a second connecting line, that the connection lines are fed to a temperature determination unit which is exposed to a reference temperature T re f, that the first material and the second material are selected and matched to one another between the first element of the first material and the second element of the second material
  • Thermo voltage U t h is formed, which is dependent on the difference of the process temperature T p and the reference temperature T re f, that in the temperature determination unit, the thermal voltage U t h is measured, and that from the process temperature T p is determined.
  • the first element of a first material M1 and the second element of a second material M2 are made, that the first element with a first connecting line and the second element are contacted with a second connecting line, that the connection lines are fed to a temperature determination unit which is exposed to a reference
  • a substantially tubular sensor housing wherein one of the two end sides of the sensor housing is designed as a membrane, with an attached to the outside of the membrane vibratable element, which with the Membrane forms a vibratable unit, with a drive / receiving unit, with a stamp, which is arranged as a contact piece between the drive / receiving unit and the membrane and the membrane touches at the contact point, with a
  • thermocouple which presses the drive / receiving unit against the membrane and with a control / evaluation unit, wherein the drive / receiving unit excites the oscillatory unit to mechanical vibrations, and wherein the Regulating / evaluating unit evaluates the amplitude, frequency, and / or phase of the oscillatory unit oscillations, and that from the punch and the membrane, a thermocouple is formed.
  • Fig. 1 shows schematically a sectional view of a detail of a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the measuring principle.
  • Fig. 1 is a section through the process-side end portion of the level measuring device 1 with a vibratable unit.
  • the oscillatable unit is formed by the membrane 4 and a tuning fork as with the membrane 4 firmly connected vibratable element 3.
  • the membrane 4 is part of the sensor housing 2 and closes this end.
  • the oscillatable element 3, the sensor housing 2 and the membrane 4 are made of the same material, preferably made of stainless steel.
  • the drive / receiving unit 6 is arranged inside the sensor housing 2. In this embodiment, this is a stack drive of piezoelectric elements, which is clamped between the pressure screw 7 and the punch 5. Instead of the pressure screw 7 are others
  • the punch 5 is preferably hemispherical and contacts the membrane 4 in a small area at the contact point 12.
  • the punch 5 and the membrane 4 and the sensor housing 2 are made of different materials and form a thermocouple. In this embodiment, therefore, the punch 5 is the first element of the first material M1 and the membrane 4 is the second element of the second material M2. At the
  • the punch 5 is connected to a first connecting line 9, which consists of the same material as the punch 5.
  • the Membrane 4 is connected via the sensor housing 2 with a second connecting line 10, which also consists of the same material as the sensor housing 2.
  • Both connection lines 9, 10 are fed to a temperature determination unit 11.
  • This temperature determination unit 11 is preferably located in a region of the sensor housing which is far away from the process, so that the prevailing reference temperature T re f differs from the temperature T p prevailing at the contact point 12, which corresponds to the process or medium temperature to be determined.
  • the process temperature T p corresponds to the temperature of the medium.
  • the temperature determination unit 1 1 is for example a microcontroller. Such electronic components are sensitive to high temperatures, which is why it is advantageous if the
  • Temperature determination unit 1 1 is thermally isolated from the process. Preferably, the temperature determination unit 1 1 is integrated into the sensor electronics, so that no further component for the temperature determination unit 1 1 is necessary.
  • the membrane 4 and the sensor housing 2 are made of stainless steel, for example stainless steel 3161, the stamp 5 advantageously consists of a nickel-chromium compound.
  • the temperature determination unit 1 1 is an independent electronic module or integrated in the control / evaluation unit 21.
  • the temperature determination unit 11 is a microcontroller which has an integrated temperature sensor so that the reference temperature T re f at the location of the temperature determination unit 11 is known at all times without a separate temperature sensor.
  • Fig. 2 discloses a sketch of the measuring principle for determining the
  • Process temperature T p Process temperature T p .
  • the first material M1 and the second material M2 meet with a process temperature T p to be determined.
  • Connecting lines made of the same material each lead away from the process and towards a reference measuring point 1 1 a at a reference temperature T re f.
  • connection wires which in this example also consist of the material M1, one
  • Temperature determination unit 1 1 supplied in the form of a microcontroller, and determines the potential difference between the local end points of the connecting wires.
  • the comparison measuring point 1 1 a can also be within the microcontroller 1 1.
  • the potential difference is equal to the thermoelectric voltage U t h. Their value results in the process temperature T p
  • Tp Uth / (a2-a1) + T ref .
  • the process temperature results from the sum of the reference temperature at the location of the temperature determination unit and the quotient of thermal voltage and difference of the Seebeck coefficients of the two

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter oder in einer Rohrleitung, mindestens aufweisend ein erstes Element (5) und ein zweites Element (4), welche zur Bestimmung der Prozessgröße notwendige Bestandteile der Vorrichtung sind, und welche sich an einer Kontaktstelle (12) berühren, welche einer Prozesstemperatur Tp ausgesetzt ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Element (5) aus einem ersten Material (M1) besteht, dass das zweite Element (4) aus einem zweiten Material (M2) besteht, dass das erste Material (M1) und das zweite Material (M2) derart ausgewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass zwischen dem ersten Material (M1) und dem zweiten Material (M2) an der Kontaktstelle (12) eine von der Differenz der Prozesstemperatur Tp und der Referenztemperatur Tref abhängige Thermospannung Uth entsteht, und dass die Temperaturbestimmungseinheit (11) die Thermospannung Uth misst und daraus die Prozesstemperatur Tp bestimmt. Weiterhin wird ein entsprechendes Verfahren beansprucht.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestinnnnung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter oder in einer Rohrleitung,
mindestens aufweisend ein erstes Element und ein zweites Element, welche zur Bestimmung der Prozessgröße notwendige Bestandteile der Vorrichtung sind und welche sich an einer Kontaktstelle berühren, welche einer Prozesstemperatur Tp ausgesetzt ist. Die Vorrichtung ist beispielsweise ein Messgerät zur Bestimmung des Füllstands, der Dichte, der Viskosität, oder des Drucks eines Mediums.
In der Messtechnik ist eine Vielzahl an unterschiedlichen Messgeräten zur
Bestimmung oder Überwachung einer oder mehrerer Prozessgrößen eines Mediums bekannt. Zur Bestimmung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstands oder zur Überwachung eines minimalen oder maximalen Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter finden unter anderem vibronische Messgeräte Anwendung, welche auf der zu überwachenden Höhe im Behälter angebracht werden.
Vibronische Messgeräte weisen in der Regel zwei gabelartig angeordnete Stäbe auf, welche über eine Membran von einer Antriebseinheit zu gegenphasigen
Schwingungen in der Resonanzfrequenz angeregt werden. Ebenfalls bekannt sind so genannte Membranschwinger ohne zusätzliche schwingfähige Einheit, oder Einstäbe. Der Antrieb erfolgt hierbei über piezoelektrische Elemente. Ist das Schwingsystem mit dem Messmedium bedeckt, so wird die Schwingung gedämpft und die
Schwingfrequenz verringert sich, wodurch das Erreichen des Grenzstandes
signalisiert wird. Derartige vibronischen Messgeräte mit einer Schwinggabel zur Füllstandserkennung bei Flüssigkeiten werden von der Anmelderin unter dem
Namen LIQUIPHANT entwickelt und in einer großen Vielfalt angeboten und
vertrieben. Der Aufbau eines LIQUIPHANTs ist beispielsweise in der Schrift EP 1261437 B1 beschrieben. Mit genannten vibronischen Messgeräten ist auch die Bestimmung der Dichte des Messmediums möglich. Je höher die Dichte einer Flüssigkeit ist, desto geringer ist die Resonanzfrequenz, mit welcher das Schwingsystem schwingt. Die
Resonanzfrequenz weist jedoch eine Temperaturabhängigkeit auf, sodass für eine Dichtebestimmung auch die Mediumstemperatur bestimmt werden muss. Neben dieser Anwendung ist eine Vielzahl weiterer Anwendungen bekannt, bei welchen neben dem Füllstand auch die Bestimmung und Überwachung der
Prozesstemperatur erforderlich ist, beispielsweise zur Erkennung des Erreichens einer für einen Sensor maximal zulässigen Prozesstemperatur.
Bislang ist eine Temperaturmessung beispielsweise möglich, indem ein zusätzlicher Temperatursensor extern, d.h. außerhalb des Füllstands- oder Dichtemessgeräts über einen separaten Prozessanschluss in den Behälter eingebracht wird. Für eine Temperaturkompensierte Dichtemessung wird der Temperatursensor zusammen mit dem Dichtemessgerät an den Auswertecomputer angeschlossen. Jeder zusätzliche Prozessanschluss stellt ein zusätzliches Risiko bezüglich Dichtheit und Hygiene des Prozesses dar, weshalb es erstrebenswert ist, die Temperaturmessung in ein ohnehin erforderliches Messgerät zu integrieren und somit einen zusätzlichen Prozessanschluss einzusparen.
Eine Integration des Temperatursensors in einen prozessnahen Bereich des
Sensorgehäuses eines vibronischen Füllstandsmessgeräts ist auf Grund der Art der Anbringung der piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit schwierig. Diese wird von der Seite des Sensorgehäuses her, die der schwingfähigen Einheit abgewandt ist, in das Sensorgehäuse eingebracht. Ist der Temperatursensor an der
Gehäusewand des Sensors befestigt, so stellt er hierbei z.B. bei der Montage der Piezoelemente eine Behinderung dar. Je weiter der Temperatursensor aber vom Prozess entfernt ist, desto stärker weicht die von ihm bestimmte Temperatur von der Prozesstemperatur ab.
Aus der Schrift DE 102006007199 A1 ist eine Vibrationsgrenzschalteranordnung bekannt, bei welcher eine Temperaturbestimmungseinheit zwischen die Elemente der Sende-/Empfangseinheit eingebracht ist. In der bislang noch nicht veröffentlichen deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 102009029490.2 sind
Temperatursensoren in prozessnahe Elemente eines Füllstandsmessgeräts eingebracht. Der Nachteil bei diesen Lösungen ist, dass sie die Fertigung des Messgerätes aufwendig gestalten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung
mindestens einer Prozessgröße eines Mediums sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit welcher/welchem es darüber hinaus möglich ist, auf einfache Weise die
Prozesstemperatur zu bestimmen.
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass das erste Element aus einem ersten Material besteht und eine erste Anschlussleitung aufweist, welche das erste Element mit einem ersten Endbereich kontaktiert, dass das zweite Element aus einem zweiten Material besteht und eine zweite Anschlussleitung aufweist, welche das zweite Element mit einem ersten Endbereich kontaktiert, dass die erste Anschlussleitung und die zweite Anschlussleitung mit einem zweiten Endbereich einer Temperaturbestimmungseinheit zugeführt sind, welche einer
Referenztemperatur Tref ausgesetzt ist, dass das erste Material und das zweite Material derart ausgewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material an der Kontaktstelle eine von der Differenz der Prozesstemperatur Tp und der Referenztemperatur Tref abhängige
Thermospannung Uth entsteht, und dass die Temperaturbestimmungseinheit die Thermospannung Uth misst und daraus die Prozesstemperatur Tp bestimmt. Bei den zur Temperaturmessung benötigten Elementen handelt es sich also hauptsächlich um ohnehin vorhandene Bestandteile des Messgerätes, erweitert um Anschlussdrähte oder Kontaktleitungen um die Messung der Thermospannung zu ermöglichen. Die Materialien von zwei geeigneten Bestandteilen des Messgerätes sind derart gewählt, dass sich eine Thermospannung zwischen ihnen ergibt. Diese ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen Prozesstemperatur und
Referenztemperatur und von der Differenz der Seebeck-Koeffizienten der Materialien abhängig. Sind Referenztemperatur und Prozesstemperatur identisch, ist die
Thermospannung Null. Es wird also kein Temperaturmesselement separat in das Messgerät eingebracht, sondern ein Thermoelement aus bereits vorhandenen und für die Funktion des Messgerätes notwendigen Bestandteilen gebildet.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung dass es sich bei dem zweiten Material um Edelstahl und bei dem ersten Material im Wesentlichen um eine Nickel-Chrom-Verbindung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Vorrichtung um ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstandes eines Mediums in einem Behälter oder einer Rohrleitung, mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Sensorgehäuse, wobei eine der beiden
Endseiten des Sensorgehäuses als Membran ausgestaltet ist, mit einem an der Außenseite der Membran angebrachten schwingfähigen Element, welches mit der Membran eine schwingfähige Einheit bildet, mit einer Antriebs-/Empfangseinheit, mit einem Stempel, welcher als Kontaktstück zwischen der Antriebs-/Empfangseinheit und der Membran angeordnet ist und die Membran an der Kontaktstelle berührt, mit einer Einspannvorrichtung, welche die Antriebs-/Empfangseinheit gegen die
Membran presst und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, wobei die Antriebs- /Empfangseinheit die schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit die Amplitude, Frequenz, und/oder Phase der Schwingungen der schwingfähigen Einheit auswertet, und der Stempel und die Membran sind derart ausgestaltet, dass sie ein Thermoelement bilden.
Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist kein
Temperatursensor in den ohnehin engen Raum im Bereich der Antriebseinheit eingebracht. Vielmehr erhalten die bestehenden Elemente Stempel und Membran bzw. Sensorgehäuse eine weitere Funktion. Die Membran ist Teil des
Sensorgehäuses oder in Form eines separaten Bauteiles an dem Sensorgehäuse befestigt, beispielsweise durch Schweißen. Da es sich jeweils um eine feste
Verbindung handelt und die Materialien von Membran und Sensorgehäuse identisch sind, wird das Thermoelement nicht nur von der Membran alleine, sondern auch von dem Sensorgehäuse gebildet. Als zusätzliches Element auf der
Prozesszugewandten Seite des Sensorgehäuses ist lediglich eine Anschlussleitung vom Stempel durch die Einspannvorrichtung in den hinter dieser liegenden Bereich des Sensorgehäuses zu führen. Die Materialien von Stempel und Sensorgehäuse bzw. Membran sind entsprechend ihrer zusätzlichen Funktion zu wählen. Die zur Bestimmung der Mediumstemperatur notwendigen zusätzlichen Elemente wie der Temperatursensor zur Bestimmung der Referenztemperatur Tref, sowie die
Temperaturbestimmungseinheit, sind in den hinter der Einspannvorrichtung liegenden Teil des Sensorgehäuses einbringbar, welcher genug Raum bietet. Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind der Stempel und die erste Anschlussleitung aus dem ersten Material gefertigt, welches einen ersten Seebeck- Koeffizienten a1 aufweist, und die Membran und die zweite Anschlussleitung sind aus dem zweiten Material gefertigt, welches einen zweiten Seebeck-Koeffizienten a2 aufweist, wobei a1 von a2 verschieden ist. Der Seebeck-Koeffizient ist eine
Material konstante der Dimension Spannung durch Temperatur. Die
Thermospannung, welche sich zwischen zwei Materialien ausbilden kann, hängt von der Differenz dieser Werte ab, d.h. je größer die Differenz |a1 -a2| ist, desto größer ist der Messeffekt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Temperaturbestimmungseinheit auf der der Antriebs-/Empfangseinheit abgewandten Seite der Einspannvorrichtung angeordnet ist. In der Regel befindet sich hier die Elektronik des Messgeräts.
Innerhalb des Sensorgehäuses, insbesondere auf der vom Prozess abgewandten Seite, liegen die auftretenden Temperaturen im Allgemeinen in einem
eingeschränkten Bereich gegenüber demjenigen, in welchem die
Prozesstemperaturen liegen. Die Temperaturbestimmungseinheit ist somit vor sehr hohen Prozesstemperaturen geschützt, welche deren Funktionsfähigkeit negativ beeinflussen könnte.
In einer Ausgestaltung ist die Temperaturbestimmungseinheit in die Regel- /Auswerteeinheit integriert. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen
MikroController mit integriertem Temperatursensor. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht die Antriebs-/Empfangseinheit aus piezoelektrischen Elementen und die erste Anschlussleitung ist zusammen mit Kontaktleitungen der piezoelektrischen Elemente durch die Einspannvorrichtung geführt. Es sind Ausgestaltungen bekannt, bei welchen die Kontaktleitungen von piezoelektrischen Elementen auf einer flexiblen Leiterplatte aufgebracht sind. Die Anschlussleitung ist in diesem Fall bevorzugt als weitere Leiterbahn auf derselben Leiterplatte ausgeführt.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung der
Prozesstemperatur mit einem Messgerät zur Bestimmung einer von der Temperatur verschiedenen Prozessgröße in einem Behälter oder einer Rohrleitung, welches zumindest ein erstes Element und ein zweites Element aufweist, welche zur
Bestimmung der Prozessgröße notwendige Bestandteile des Messgerätes sind, und welche sich an einer Kontaktstelle berühren, welche der Prozesstemperatur Tp ausgesetzt ist.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass das erste Element aus einem ersten Material M1 und das zweite Element aus einem zweiten Material M2 gefertigt werden, dass das erste Element mit einer ersten Anschlussleitung und das zweite Element mit einer zweiten Anschlussleitung kontaktiert werden, dass die Anschlussleitungen einer Temperaturbestimmungseinheit zugeführt werden, welche einer Referenztemperatur Tref ausgesetzt ist, dass das erste Material und das zweite Material derart ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass sich zwischen dem ersten Element aus dem ersten Material und dem zweiten Element aus dem zweiten Material eine Thermospannung Uth ausbildet, welche von der Differenz der Prozesstemperatur Tp und der Referenztemperatur Tref abhängig ist, dass in der Temperaturbestimmungseinheit die Thermospannung Uth gemessen wird, und dass daraus die Prozesstemperatur Tp bestimmt wird. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das erste
Material und das zweite Material derart gewählt, dass sie sich in ihrem Seebeck- Koeffizienten unterscheiden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur wird ein vibronisches Füllstandsmessgerät verwendet, mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Sensorgehäuse, wobei eine der beiden Endseiten des Sensorgehäuses als Membran ausgestaltet ist, mit einem an der Außenseite der Membran angebrachten schwingfähigen Element, welches mit der Membran eine schwingfähige Einheit bildet, mit einer Antriebs-/Empfangseinheit, mit einem Stempel, welcher als Kontaktstück zwischen der Antriebs-/Empfangseinheit und der Membran angeordnet ist und die Membran an der Kontaktstelle berührt, mit einer
Einspannvorrichtung, welche die Antriebs-/Empfangseinheit gegen die Membran presst und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit die Amplitude, Frequenz, und/oder Phase der Schwingungen der schwingfähigen Einheit auswertet, und dass aus dem Stempel und der Membran ein Thermoelement gebildet wird. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines
Füllstandsmessgerätes; Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Messprinzips.
Als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 1 schematisch ein Schnitt durch den prozessseitigen Endbereich des Füllstandsmessgeräts 1 mit einer schwingfähigen Einheit dargestellt. Die schwingfähige Einheit wird von der Membran 4 und einer Schwinggabel als mit der Membran 4 fest verbundenes schwingfähiges Element 3 gebildet. Die Membran 4 ist Teil des Sensorgehäuses 2 und schließt dieses endseitig ab. Das schwingfähige Element 3, das Sensorgehäuse 2 und die Membran 4 sind aus dem gleichen Material gefertigt, bevorzugt aus Edelstahl. Im Inneren des Sensorgehäuses 2 ist die Antriebs-/Empfangseinheit 6 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um einen Stapelantrieb aus piezoelektrischen Elementen, welcher zwischen der Druckschraube 7 und dem Stempel 5 eingespannt ist. Anstelle der Druckschraube 7 sind auch andere
Befestigungsmittel denkbar, beispielsweise ein Joch. Über den Stempel 5 wird die Kraft der Antriebs-/Empfangseinheit 6 auf die Membran 4 übertragen, welche wiederum das schwingfähige Element 3 zu mechanischen Schwingungen anregt. Der Stempel 5 ist bevorzugt halbkugelförmig und berührt die Membran 4 auf einer kleinen Fläche an der Kontaktstelle 12.
Der Stempel 5 und die Membran 4 bzw. das Sensorgehäuse 2 bestehen aus unterschiedlichen Materialien und bilden ein Thermoelement. In dieser Ausgestaltung ist also der Stempel 5 das erste Element aus dem ersten Material M1 und die Membran 4 ist das zweite Element aus dem zweiten Material M2. An der
Kontaktstelle 12 bildet sich eine Thermospannung Uth aus. Zur Messung der
Thermospannung ist der Stempel 5 mit einer ersten Anschlussleitung 9 verbunden, welche aus dem gleichen Material wie der Stempel 5 besteht. Gleichermaßen ist die Membran 4 über das Sensorgehäuse 2 mit einer zweiten Anschlussleitung 10 verbunden, welche ebenfalls aus dem gleichen Material wie das Sensorgehäuse 2 besteht. Beide Anschlussleitungen 9, 10 sind einer Temperaturbestimmungseinheit 1 1 zugeführt. Diese Temperaturbestimmungseinheit 1 1 befindet sich bevorzugt in einem vom Prozess weit entfernten Bereich des Sensorgehäuses, sodass sich die dort vorherrschende Referenztemperatur Tref von der an der Kontaktstelle 12 vorherrschenden Temperatur Tp, welche der zu bestimmenden Prozess- oder Mediumstemperatur entspricht, unterscheidet. Insbesondere wenn die schwingfähige Einheit 3 von dem Prozessmedium bedeckt ist, entspricht die Prozesstemperatur Tp der Temperatur des Mediums. Für den Fall, dass sich die Temperaturen Tref und Tp nicht unterscheiden, bildet sich keine Thermospannung Uth aus, bzw. der gemessene Wert der Thermospannung ist Null. Die Temperaturbestimmungseinheit 1 1 ist beispielsweise ein MikroController. Derartige elektronische Bauteile sind empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, weshalb es von Vorteil ist, wenn die
Temperaturbestimmungseinheit 1 1 thermisch vom Prozess isoliert ist. Bevorzugt ist die Temperaturbestimmungseinheit 1 1 in die Sensorelektronik integriert, sodass kein weiteres Bauteil für die Temperaturbestimmungseinheit 1 1 notwendig ist..
Die Thermospannung ist umso größer, je größer der Unterschied des Seebeck- Koeffizienten a1 des Materials des Stempels 5 und des Seebeck-Koeffizienten a2 des Materials des Sensorgehäuses 2 ist. Um die Prozesstemperatur Tp auch bei geringen Temperaturunterschieden dT = |TP - Tref| zwischen Prozess und Ort der Temperaturbestimmungseinheit 1 1 bestimmen zu können, ist es daher von Vorteil, wenn die Differenz a1 -a2 betragsmäßig möglichst groß ist. Sind die Membran 4 und das Sensorgehäuse 2 aus Edelstahl gefertigt, z.B. Edelstahl 3161, besteht der Stempel 5 vorteilhaft aus einer Nickel-Chrom-Verbindung.
Die Temperaturbestimmungseinheit 1 1 ist ein eigenständiges Elektronikmodul oder in die Regel-/Auswerteeinheit 21 integriert. Vorteilhaft handelt es sich bei der Temperaturbestimmungseinheit 1 1 um einen MikroController, welcher einen integrierten Temperatursensor besitzt, sodass die Referenztemperatur Tref am Ort der Temperaturbestimmungseinheit 1 1 ohne separaten Temperatursensor zu jeder Zeit bekannt ist. Fig. 2 offenbart eine Skizze des Messprinzips zur Bestimmung der
Prozesstemperatur Tp. An der Kontaktstelle treffen das erste Material M1 und das zweite Material M2 mit einer zu bestimmenden Prozesstemperatur Tp aufeinander. Anschlussleitungen aus dem gleichen Material führen jeweils vom Prozess weg und hin zu einer Vergleichsmessstelle 1 1 a auf einer Referenztemperatur Tref. Die
Endpunkte in der Vergleichsmessstelle 1 1 a werden über Anschlussdrähte, welche in diesem Beispiel ebenfalls aus dem Material M1 bestehen, einer
Temperaturbestimmungseinheit 1 1 in Form eines Mikrocontrollers zugeführt, und die Potenzialdifferenz zwischen den dortigen Endpunkten der Anschlussdrähte bestimmt. Die Vergleichsmessstelle 1 1 a kann hierbei auch innerhalb des Mikrocontrollers 1 1 liegen. Die Potenzialdifferenz ist gleich der Thermospannung Uth. Aus deren Wert ergibt sich die Prozesstemperatur Tp zu
Tp = Uth /(a2-a1 ) + Tref.
In Worten ausgedrückt ergibt sich die Prozesstemperatur aus der Summe aus der Referenztemperatur am Ort der Temperaturbestimmungseinheit und dem Quotienten aus Thermospannung und Differenz der Seebeck-Koeffizienten der beiden
Materialien.
Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Sensorgehäuse
3 Schwingfähiges Element
4 Membran / zweites Element
5 Stempel / erstes Element
6 Antriebs-/Empfangseinheit
7 Druckschraube
8 Kontaktleitungen
9 Erste Anschlussleitung
10 Zweite Anschlussleitung
1 1 Temperaturbestimmungseinheit
1 1 a Vergleichsmessstelle
12 Kontaktstelle
21 Regel-/Auswerteeinheit
M1 erstes Material
M2 zweites Material

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter oder in einer Rohrleitung, mindestens aufweisend ein erstes Element (5) und ein zweites Element (4), welche zur Bestimmung der
Prozessgröße notwendige Bestandteile der Vorrichtung sind und welche sich an einer Kontaktstelle (12) berühren, welche einer Prozesstemperatur Tp ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (5) aus einem ersten Material (M1 ) besteht und eine erste Anschlussleitung (9) aufweist, welche das erste Element (5) mit einem ersten Endbereich kontaktiert,
dass das zweite Element (4) aus einem zweiten Material (M2) besteht und eine zweite Anschlussleitung (10) aufweist, welche das zweite Element (4) mit einem ersten Endbereich kontaktiert,
dass die erste Anschlussleitung (9) und die zweite Anschlussleitung (10) mit einem zweiten Endbereich einer Temperaturbestimmungseinheit (1 1 ) zugeführt sind, welche einer Referenztemperatur Tref ausgesetzt ist, dass das erste Material (M1 ) und das zweite Material (M2) derart ausgewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass zwischen dem ersten Material (M1 ) und dem zweiten Material (M2) an der Kontaktstelle (12) eine von der
Differenz der Prozesstemperatur Tp und der Referenztemperatur Tref abhängige Thermospannung Uth entsteht,
und dass die Temperaturbestimmungseinheit (1 1 ) die Thermospannung Uth misst und daraus die Prozesstemperatur Tp bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem zweiten Material (M2) um Edelstahl handelt und dass es sich bei dem ersten Material (M1 ) im Wesentlichen um eine Nickel-
Chrom-Verbindung handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung um ein Füllstandsmessgerät (1 ) zur
Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstandes eines Mediums in einem Behälter oder einer Rohrleitung handelt, mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Sensorgehäuse (2), wobei eine der beiden Endseiten des
Sensorgehäuses (2) als Membran (4) ausgestaltet ist, mit einem an der
Außenseite der Membran (4) angebrachten schwingfähigen Element (3), welches mit der Membran (4) eine schwingfähige Einheit bildet, mit einer Antriebs-/Empfangseinheit (6), mit einem Stempel (5), welcher als
Kontaktstück zwischen der Antriebs-/Empfangseinheit (6) und der Membran (4) angeordnet ist und die Membran (4) an der Kontaktstelle (12) berührt, mit einer Einspannvorrichtung (7), welche die Antriebs-/Empfangseinheit (6) gegen die Membran (4) presst und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (21 ), wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (6) die schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (21 ) die Amplitude, Frequenz, und/oder Phase der Schwingungen der schwingfähigen Einheit auswertet,
und dass der Stempel (5) und die Membran (4) derart ausgestaltet sind, dass sie ein Thermoelement bilden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stempel (5) und die erste Anschlussleitung (9) aus dem ersten
Material (M1 ) gefertigt sind, welches einen ersten Seebeck-Koeffizienten a1 aufweist,
und dass die Membran (4) und die zweite Anschlussleitung (10) aus dem zweiten Material (M2) gefertigt sind, welches einen zweiten Seebeck- Koeffizienten a2 aufweist, wobei a1 von a2 verschieden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturbestimmungseinheit (1 1 ) auf der der Antriebs- /Empfangseinheit (6) abgewandten Seite der Einspannvorrichtung (7) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturbestimmungseinheit (1 1 ) in die Regel-/Auswerteeinheit (21 ) integriert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebs-/Empfangseinheit (6) aus piezoelektrischen Elementen besteht, und dass die erste Anschlussleitung (9) zusammen mit
Kontaktleitungen (8) der piezoelektrischen Elemente durch die
Einspannvorrichtung (7) geführt ist.
8. Verfahren zur Bestimmung der Prozesstemperatur Tp mit einem Messgerät zur
Bestimmung einer von der Temperatur verschiedenen Prozessgröße in einem Behälter oder einer Rohrleitung, welches zumindest ein erstes Element (5) und ein zweites Element (4) aufweist, welche zur Bestimmung der
Prozessgröße notwendige Bestandteile des Messgeräts sind, und welche sich an einer Kontaktstelle (12) berühren, welche der Prozesstemperatur Tp ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (5) aus einem ersten Material M1 und das zweite Element (4) aus einem zweiten Material M2 gefertigt werden,
dass das erste Element (5) mit einer ersten Anschlussleitung (9) und das zweite Element (4) mit einer zweiten Anschlussleitung (10) kontaktiert werden, dass die Anschlussleitungen (9, 10) einer Temperaturbestimmungseinheit (1 1 ) zugeführt werden, welche einer Referenztemperatur Tref ausgesetzt ist, dass das erste Material (M1 ) und das zweite Material (M2) derart ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass sich zwischen dem ersten Element (5) aus dem ersten Material (M1 ) und dem zweiten Element (4) aus dem zweiten Material (M2) eine Thermospannung Uth ausbildet, welche von der
Differenz der Prozesstemperatur Tp und der Referenztemperatur Tref abhängig ist,
dass in der Temperaturbestimmungseinheit die Thermospannung Uth gemessen wird, und dass daraus die Prozesstemperatur Tp bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Material (M1 ) und das zweite Material (M2) derart ausgewählt werden, dass sie sich in ihrem Seebeck-Koeffizienten unterscheiden.
10.Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Prozesstemperatur Tp ein vibronisches
Füllstandsmessgerät (1 ) verwendet wird, mit einem im Wesentlichen
rohrförmigen Sensorgehäuse (2), wobei eine der beiden Endseiten des
Sensorgehäuses (2) als Membran (4) ausgestaltet ist, mit einem an der
Außenseite der Membran (4) angebrachten schwingfähigen Element (3), welches mit der Membran (4) eine schwingfähige Einheit bildet, mit einer Antriebs-/Empfangseinheit (6), mit einem Stempel (5), welcher als
Kontaktstück zwischen der Antriebs-/Empfangseinheit (6) und der Membran (4) angeordnet ist und die Membran (4) an der Kontaktstelle (12) berührt, mit einer Einspannvorrichtung (7), welche die Antriebs-/Empfangseinheit (6) gegen die Membran (4) presst und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (21 ), wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (6) die schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (21 ) die Amplitude, Frequenz, und/oder Phase der Schwingungen der schwingfähigen Einheit auswertet,
und dass aus dem Stempel (5) und der Membran (4) ein Thermoelement gebildet wird.
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