WO2015028178A1 - Verfahren zur bestimmung oder überwachung eines vorgegebenen füllstandes - Google Patents

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WO2015028178A1
WO2015028178A1 PCT/EP2014/064582 EP2014064582W WO2015028178A1 WO 2015028178 A1 WO2015028178 A1 WO 2015028178A1 EP 2014064582 W EP2014064582 W EP 2014064582W WO 2015028178 A1 WO2015028178 A1 WO 2015028178A1
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temperature
unit
liquid medium
oscillating element
oscillation frequency
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PCT/EP2014/064582
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French (fr)
Inventor
Sergej Lopatin
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining or monitoring a predetermined level of a liquid medium in one
  • Container by means of a vibronic sensor with a vibratable unit, which has a membrane with optionally attached to the outer surface of the diaphragm vibrating element, wherein the oscillatable unit at the height of the monitored
  • the oscillatory unit is excited with a predetermined oscillation frequency to vibrations and the vibrations of the
  • oscillatory unit are received, and wherein the achievement of the predetermined level is signaled.
  • Synonymous terms used for the given level are level or limit level.
  • Corresponding sensors are also referred to as vibration sensors or level switch.
  • the determination or monitoring of a given fill level of a liquid medium in a container is of great importance in automation technology. High measuring accuracy is particularly required when dosing individual ingredients in chemical or pharmaceutical production processes.
  • optical or capacitive measuring methods or measuring methods based on ultrasound or microwaves are used for the process control, whereby the highest resolution and thus the highest measuring accuracy can be achieved with optical measuring methods.
  • a disadvantage of the optical measurement method is that they are not universally applicable in an industrial environment and fail when the pollution in the gas space exceeds a predetermined level.
  • vibronic sensors Due to their robustness, vibronic sensors are very well suited for a wide range of applications in automation technology.
  • the oscillatory unit of vibronic sensors can be designed differently depending on the application: as a tuning fork with two symmetrically arranged on a diaphragm forks, as a single rod, in which only a tine is centrally located on a membrane, or simply as so-called.
  • Vibration sensors with tuning forks are used in liquids, gases and solids and offered and distributed by the applicant under the name LIQUIPHANT. Under the name SOLIPHANT vibration sensors have become known with a single rod. The latter are mainly designated for use in solids. From DE 10 2005 044 725 A1 an embodiment of a diaphragm oscillator is also known, which is suitable for use in a variety of media. In particular, vibronic sensors with tuning forks have a high
  • the measurement sensitivity of vibronic sensors corresponds to the frequency change with respect to the predetermined vibration frequency, usually the resonance frequency, which occurs when the surrounding medium of the tuning fork changes. Is that coming
  • Liquid mass drastically changes the oscillating frequency of the oscillating unit: For vibrating probes with vibrating forks of approx. 20 mm in length, the frequency change is between -20% and 30% when immersed in water (density approx. 1 g / cm 3 ). An equivalent effect can be seen in the vibrating tuning fork when transitioning from the liquid to the ambient gas or air.
  • the oscillation frequency f of the tuning fork in a liquid of density p 0 can be described as follows: where f 0 is the oscillation frequency, in particular the resonance frequency, of the tuning fork in
  • the so-called S-factor is a specific parameter of the tuning fork and characterizes the measuring sensitivity of the tuning fork. About the geometric dimensions and the material of the tuning fork, the specific S-factor can be adjusted so that the dependent on the depth of immersion
  • Frequency change which determines the measuring sensitivity of a vibronic sensor, for sensors with an oscillation frequency f 0 in the range of 900-2000 Hz in aqueous
  • the vibronic sensors are also very robust and can be significantly wider in the industrial
  • Automation technology can be used as e.g. optical or capacitive measuring devices.
  • the measuring sensitivity or accuracy of vibronic sensors depends not only on the sensor geometry and the material from which the sensor is made, but also on the temperature. As a result of temperature fluctuations occurring in the process, the measurement accuracy is drastically reduced. Thus, the relative temperature drift of the oscillation frequency - depending on the used stainless steel - with a vibronic sensor with an oscillation frequency f 0 in the range of 900 and 2000 Hz
  • the reason for the non-generated error message is that the quantity to be monitored is always obtained via two independent measurements: In the first measurement, the reaching of the predetermined fill level is determined by means of a change in the oscillation frequency of the tuning fork; at the second
  • the temperature is determined by the temperature sensor.
  • Another disadvantage of the known solution is that vibronic sensors with computational temperature compensation must be calibrated very expensive. This is due, in particular, to the fact that the two parameters to be determined: oscillation frequency and temperature have a certain scatter due to their production.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for determining or monitoring a predetermined level of a liquid medium in a container by means of a temperature-compensated vibronic sensor. According to the invention, a highly accurate level detection in liquids can be achieved.
  • the object is achieved in that the oscillatory unit or the
  • Oscillating element is dimensioned so and / or that the material from which the oscillatory unit or the vibrating element is made, is selected so that a temperature-dependent change in the density of the liquid medium and a temperature-dependent change in the Oscillation frequency of the oscillatory unit or the vibrating element at least approximately compensate.
  • a separate temperature sensor for performing a
  • Temperature compensation is eliminated. Level detection in liquids is possible with a precision of 0.05-0.5 mm over a wider temperature range.
  • the vibronic sensor according to the invention is characterized by a high level of reliability and the robustness usual with vibronic sensors.
  • the calibration effort in the production of the vibronic sensor is low.
  • the amount of liquid can be described by mass or by volume.
  • it is a volume control, wherein the
  • the method according to the invention is based on the temperature dependence of the density of the medium, based on the
  • Oscillating element a size, hereinafter referred to as S-factor calculated, which describes the measurement sensitivity or change in the oscillation frequency of the oscillatory unit or the oscillating element with respect to a reference frequency.
  • the S-factor is preferably determined according to the following formula:
  • Temperature coefficient of the density of the liquid medium and p 0 denotes the density of the liquid medium.
  • the vibration frequency of the tuning fork - or membrane - of a vibronic sensor depends on the medium density, the medium temperature and the sensor temperature. Without limitation, for the sake of simplicity, reference will always be made below to the tuning fork. Let us first consider the vibronic sensor itself: the Modulus of elasticity of the material from which the sensor is made is temperature dependent and decreases with increasing temperature. Likewise, the vibration frequency of the vibronic sensor decreases as the tuning fork heats up.
  • the S-factor depends on the geometry and material of the tuning fork and is independent of the temperature.
  • the S-factor can be between 0.5 and about 2 cm 3 / g in typical vibronic sensors with tuning forks, which are commonly used for level detection in liquid media.
  • the coefficient ⁇ characterizes the dependence of the density p 0 of the medium on the temperature T.
  • the oscillation frequency is temperature independent if the following condition is met:
  • the S-factor can be determined which, as already stated, describes the measuring sensitivity of the oscillatable unit or of the vibronic sensor in interaction with a medium of density p 0 : If the oscillatable unit, in particular a tuning fork, is designed such that it has a temperature drift of the oscillation frequency defined by the constant C and has an S-factor calculated according to formula (11), then the
  • the vibronic sensor should always detect the level of the medium in a container regardless of temperature, if the tuning fork has a defined immersion depth in the medium, the vibronic sensor must always have the same oscillation frequency when the predetermined limit value is reached. This is at least approximately the case under the condition given in equation (11).
  • the S-factor is defined via a functional relationship to the immersion depth of the oscillatable unit or of the oscillating element in the liquid medium.
  • Oscillating the optimal immersion depth is determined in the respective medium.
  • the oscillation frequency of the oscillatable unit or of the oscillating element is independent of the temperature.
  • the optimal depth of immersion as the switching point of the oscillatory unit or the
  • Oscillating element determined and stored in the liquid medium to be determined or monitored.
  • Vibrating element is controlled to a constant value, so that the optimal immersion depth is independent of the temperature.
  • the procedure is such that a tuning fork is used as the vibrating element, which is mathematically simulated.
  • a finite element calculation is used for the mathematical simulation.
  • Based on the simulation of the tuning fork is a universal, at least approximately temperature-independent working in a wide temperature range working tuning fork, which can be used in any liquid media. An example is explained in more detail in connection with FIG. For this purpose, the optimal immersion depth based on the functional
  • Temperature-dependent change of the oscillation frequency of the oscillatory unit or the oscillating element at least approximately compensate.
  • the oscillating element is preferably two fork tines symmetrically fastened to a membrane, the fork tines having essentially a circular, a rectangular or an oval cross section.
  • Tuning forks are best suited for high-precision measurements of the limit level, as they are independent of the medium to be determined or monitored
  • Forks are considered. In this context, it is necessary that the two forks are at least approximately identical to the liquid covered. This condition can also be realized for a membrane transducer:
  • the membrane oscillator has two bending regions with antiphase oscillations of the membrane, these bending regions must also be covered at least approximately identically with the liquid. Therefore, one too
  • Fig. 1 a schematic representation of a vibronic sensor, as
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an oscillatable unit, which is designed as a tuning fork
  • 3 is a graph showing the functional dependence of the S-factor on the immersion depth
  • Fig. 4 is a diagram showing the vibration frequencies of three tuning forks made of stainless steel 1.4435 in three corresponding liquids in a temperature range from -20 ° C to 60 ° C, and
  • Fig. 5 is a graph showing the frequencies of three Hastelloy tuning forks in three respective liquids in a temperature range of -20 ° C to 60 ° C.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a vibronic sensor, as
  • Overfill protection is used, i. the longitudinal axis of the vibronic sensor is oriented perpendicular to the surface of the liquid medium 6, so that the two
  • the vibronic sensor consists of a housing 7, which is closed in an end region by the membrane 2. On the membrane 2, two prongs of a tuning fork 1 are attached. The tuning fork 1 is preferred by the transmitting / receiving unit 4
  • Vibrations excited at the resonant frequency f 0 are excited at the resonant frequency f 0 .
  • further evaluation unit 5 is arranged - ie the unit that generates a switching signal when the level to be monitored is reached.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an oscillatable unit 1 with a vibrating element designed as a tuning fork 2.
  • the defined design of tuning fork 2 which makes the vibronic sensor temperature-independent, can be simulated with the finite element method.
  • the mathematical description of the S-factor changes.
  • For the fork geometry shown in Fig. 2 with two forks 3 with rectangular cross-section is the formula for the
  • p m denotes the density of the material from which the tuning fork 1 is made. This is eg for stainless steel 1 .4462: 7.80 g / cm 3 , for stainless steel 1.4435: 8.00 g / cm 3 and for Hastelloy C4: 8.64 g / cm 3 .
  • p 0 is the density of the liquid - also with the dimension g / cm 3 .
  • the tuning fork 1 can be modeled so that the required for the temperature independence S-factor is present.
  • S-factor 1.8 cm 3 / g
  • the S-factor of 1, 8 cm 3 / g is reached when the tuning fork 1 is completely immersed in the medium.
  • tuning fork 1 which can be used in different liquid media 6.
  • the S-factor is plotted against the immersion depth h.
  • Each immersion depth h is uniquely assigned a corresponding S-factor.
  • a temperature-independent vibronic sensor can be produced in a multiplicity of different liquid media 6.
  • the inventive temperature-independent vibronic sensor is universally applicable. Two concrete embodiments of the inventive vibronic sensor for use in two defined media are described below by way of example.
  • the tuning fork is made of stainless steel 1.4435 and oscillates at 20 ° C with a vibration frequency of 1059 Hz.
  • the coefficient C is -0.00024 1 / ° C.
  • the vibronic Sensors - based on the tuning fork principle - are designed for the following three fluids:
  • the frequency deviation in the temperature range of (-20 ... + 60) ° C is +0.015 Hz for all three fluids with inventively designed tuning forks 2.
  • the calculated deviation of the switching point is 0.003 mm.
  • the switching point of a vibronic sensor corresponds to the
  • the level deviation is independent of the process temperature and that at least in one
  • the tuning fork 2 is made of Hastelloy C22 and vibrates at 20 ° C with a vibration frequency of 1450 Hz.
  • the coefficient C is -0.00017 1 / ° C.
  • the tuning forks 2 of the vibronic sensors are designed for three liquids:
  • Fig. 5 shows the vibration frequencies f of three tuning forks 2 Hastelloy in
  • the oscillation frequency f is independent of the temperature.
  • the frequency deviation of the appropriately designed tuning forks 1 in the temperature range of (-20 ... + 60) ° C is only +0.01 Hz. Therefore, the level detection is also substantially independent of the temperature.
  • the calculated deviation of the switching point SP in the limit level detection is very good 0.002 mm.
  • the S-factor is calculated for each liquid medium 6 whose level is to be monitored and for each embodiment (shape and material) of a tuning fork or membrane.
  • the tuning fork 1 is such that the correct S-factor, the temperature independence of the level measurement is achieved by means of the vibronic sensor.
  • the S-factor of the tuning fork 1 is calculated.
  • the optimum immersion depth h * is determined, in which the oscillation frequency f is independent of the temperature T.
  • the optimum immersion depth h * defines the operating point / switching point SP of the tuning fork 1.
  • relatively large differences in the immersion depth h may occur. These differences in the immersion depth h can certainly be up to 15 mm.
  • the oscillation frequency f of the vibronic sensor is regulated to a constant value.
  • the vibronic point level sensor operates either with high precision in a defined liquid medium 6 or also in any desired liquid media 6. This applies in particular under the following conditions: a) the composition of the liquid medium 6 does not change;

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums (6) in einem Behälter mittels eines vibronischen Sensor mit einer schwingfähigen Einheit (1), die eine Membran (2) mit ggf. einem an der Außenfläche der Membran (2) befestigten Schwingelement (3) aufweist und die auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist, wobei die schwingfähige Einheit (1) mit einer vorgegebenen Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt wird und wobei die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (1) empfangen werden, und wobei das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes signalisiert wird. Die schwingfähige Einheit (1 ) bzw. das Schwingelement (2) wird so dimensioniert und/oder das Material, aus dem die schwingfähige Einheit (1) bzw. das Schwingelement (2) gefertigt ist, wird so gewählt, dass sich als Folge einer Temperaturänderung (ΔΤ) in dem flüssigen Medium (6) eine temperaturabhängige Änderung der Dichte ( ρ 0 ) des flüssigen Mediums (6) und eine temperaturabhängige Änderung der Schwingfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (2) zumindest näherungsweise kompensieren.

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG ODER ÜBERWACHUNG EINES VORGEGEBENEN FÜLLSTANDES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums in einem
Behälter mittels eines vibronischen Sensors mit einer schwingfähigen Einheit, die eine Membran mit ggf. einem an der Außenfläche der Membran befestigten Schwingelement aufweist, wobei die schwingfähige Einheit auf der Höhe des zu überwachenden
Füllstands angeordnet wird, wobei die schwingfähige Einheit mit einer vorgegebenen Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt wird und die Schwingungen der
schwingfähigen Einheit empfangen werden, und wobei das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes signalisiert wird. Synonym verwendete Begriffe für den vorgegebenen Füllstand sind Pegel oder Grenzstand. Entsprechende Sensoren werden auch als Vibrationssensoren oder Grenzstandschalter bezeichnet.
Die Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines in einem Behälter befindlichen flüssigen Mediums ist in der Automatisierungs-technik von großer Wichtigkeit. Eine hohe Messgenauigkeit ist insbesondere bei der Dosierung einzelner Inhaltsstoffe in chemischen oder pharma-zeutischen Produktionsprozessen gefordert.
Typischerweise werden für die Prozesssteuerung optische oder kapazitive Messverfahren oder Messverfahren auf der Basis von Ultraschall- oder Mikrowellen eingesetzt, wobei sich die höchste Auflösung und damit die höchste Messgenauigkeit mit optischen Messverfahren erreichen lässt. Nachteilig bei den optischen Messverfahren ist, dass sie in einer industriellen Umgebung nicht universell einsetzbar sind und versagen, wenn die Verschmutzung im Gasraum ein vorgegebenes Maß überschreitet.
Sehr gut geeignet für einen breiten Einsatz in der Automatisierungstechnik sind aufgrund ihrer Robustheit vibronische Sensoren. Die schwingfähige Einheit von vibronischen Sensoren kann je nach Anwendung unterschiedlich ausgestaltet sein: als Stimmgabel mit zwei symmetrisch an einer Membran angeordneten Gabelzinken, als Einstab, bei dem lediglich eine Zinke mittig an einer Membran angeordnet ist, oder einfach als sog.
Membranschwinger. Vibrationssensoren mit Stimmgabeln werden in Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen eingesetzt und von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Unter der Bezeichnung SOLIPHANT sind Vibrationssensoren mit einem Einstab bekannt geworden. Letztere sind hauptsächlich für den Einsatz in Feststoffen ausgewiesen. Aus der DE 10 2005 044 725 A1 ist darüber hinaus eine Ausgestaltung eines Membran-schwingers bekannt geworden, der für den Einsatz in unterschiedlichsten Medien geeignet ist. Insbesondere vibronische Sensoren mit Stimmgabeln weisen eine hohe
Messempfindlichkeit bei der Detektion des Grenzstands von Flüssigkeiten auf. Die Messempfindlichkeit bei vibronischen Sensoren entspricht der Frequenzänderung bezüglich der vorgegebenen Schwingfrequenz, üblicherweise der Resonanzfrequenz, die auftritt, wenn sich das Umgebungsmedium der Stimmgabel ändert. Kommt die
Stimmgabel mit der Flüssigkeit in Kontakt, so verändert die Ankopplung der
Flüssigkeitsmasse die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit drastisch: Bei vibronische Sensoren mit Stimmgabeln von ca. 20 mm Länge liegt die Frequenzänderung zwischen -20% und 30% beim Eintauchen in Wasser (Dichte ca. 1 g/cm3). Ein gleichwertiger Effekt zeigt sich bei der schwingenden Stimmgabel, wenn ein Übergang von der Flüssigkeit in das Umgebungsgas bzw. in Luft erfolgt.
Mathematisch lässt sich die Schwingfrequenz f der Stimmgabel in einer Flüssigkeit der Dichte p0 wie folgt beschreiben:
Figure imgf000004_0001
wobei f0 die Schwingfrequenz, insbesondere die Resonanzfrequenz, der Stimmgabel in
Luft oder im Umgebungsgas ist. Der sog. S-Faktor ist ein spezifischer Parameter der Stimmgabel und kennzeichnet die Messempfindlichkeit der Stimmgabel. Über die geometrischen Abmessungen und das Material der Stimmgabel kann der spezifische S- Faktor so angepasst werden, dass die von der Eintauchtiefe abhängige
Frequenzänderung, die die Messempfindlichkeit eines vibronischen Sensors bestimmt, bei Sensoren mit einer Schwingfrequenz f0 im Bereich von 900-2000 Hz in wässrigen
Lösungen 10 bis 50 Hz/mm beträgt. Auf der Basis dieser exzellenten Messempfindlichkeit lassen sich sehr zuverlässig arbeitende vibronische Sensoren für die
Grenzstanddetektion realisieren. Bereits bei einer Änderung der Eintauchtiefe von 0,1 mm wird ein Signal erzeugt, das das Erreichen des vorgegebenen Füllstands anzeigt.
Aufgrund der vollmetallischen Konstruktion sind die vibronischen Sensoren darüber hinaus sehr robust und können deutlich breiter in der industriellen
Automatisierungstechnik eingesetzt werden als z.B. optische oder kapazitive Messgeräte.
Allerdings hängt die Messempfindlichkeit bzw. die Messgenauigkeit von vibronischen Sensoren nicht nur von der Sensorgeometrie und dem Material ab, aus dem der Sensor gefertigt ist, sondern auch von der Temperatur. Infolge von im Prozess auftretenden Temperaturschwankungen wird die Messgenauigkeit drastisch reduziert. So liegt die relative Temperaturdrift der Schwingfrequenz - je nach verwendetem Edelstahl - bei einem vibronischen Sensor mit einer Schwingfrequenz f0 im Bereich von 900 und 2000 Hz bei
-(2...2,5)*1 (T* 1/°C bzw. -0,18...0,5 Hz/°C. Aus der DE 10 2005 062 813 A1 ist eine Lösung bekannt geworden, bei der der
Temperatureinfluss auf die Schwingfrequenz mittels einer unabhängigen
Temperaturmessung kompensiert wird. Nachteilig bei dieser bekannt gewordenen Lösung ist jedoch, dass eine rechnerische Temperaturkompensation grundsätzlich nicht zuverlässig arbeitet: Fällt die Temperaturmessung über den zusätzlichen
Temperatursensor aus, so wird die Grenzstandmessung mit dem vibronischen Sensor bei einer Temperaturänderung fehlerhaft, ohne dass eine entsprechende Fehlermeldung generiert wird. Die Ursache für die nicht generierte Fehlermeldung ist darin zu sehen, dass die zu überwachende Größe stets über zwei unabhängige Messungen gewonnen wird: Bei der ersten Messung wird anhand einer Änderung der Schwingfrequenz der Stimmgabel das Erreichen des vorgegebenen Füllstands ermittelt; bei der zweiten
Messung wird die Temperatur über den Temperatursensor ermittelt. Als weiterer Nachteil der bekannten Lösung ist zu werten, dass vibronische Sensoren mit rechnerischer Temperaturkompensation sehr aufwändig kalibriert werden müssen. Dies rührt insbesondere daher, dass die beiden zu bestimmenden Parameter: Schwingfrequenz und Temperatur herstellungsbedingt eine gewisse Streuung aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums in einem Behälter mittels eines temperaturkompensierten vibronischen Sensors vorzuschlagen. Erfindungsgemäß lässt sich eine hochgenaue Grenzstanddetektion in Flüssigkeiten erreichen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die schwingfähige Einheit bzw. das
Schwingelement so dimensioniert wird und/oder dass das Material, aus dem die schwingfähige Einheit bzw. das Schwingelement gefertigt ist, so gewählt wird, dass sich als Folge einer Temperaturänderung in dem flüssigen Medium eine temperaturabhängige Änderung der Dichte des flüssigen Mediums und eine temperaturabhängige Änderung der Schwingfrequenz der schwing-fähigen Einheit bzw. des Schwingelements zumindest näherungsweise kompensieren.
Die vorgeschlagene Lösung hat folgende Vorteile:
1. Ein separater Temperatursensor zur Durchführung einer
Temperaturkompensation entfällt. Die Grenzstanddetektion in Flüssigkeiten ist mit einer Genauigkeit von 0,05-0,5 mm in einem breiteren Temperaturbereich möglich.
Der erfindungsgemäße vibronische Sensor zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und die bei vibronischen Sensoren übliche Robustheit aus.
Der Kalibrationsaufwand bei der Fertigung des vibronischen Sensors ist gering.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine hochpräzise volumetrische
Messung/Überwachung des Pegelstands einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit durchführen. Die Flüssigkeitsmenge kann über die Masse oder über das Volumen beschrieben werden. Bevorzugt handelt sich um eine Volumenkontrolle, wobei der
Einfluss der Temperatur in einem sehr breiten Temperaturbereich von zumindest -20- 60°C eliminiert wird. Daher ist es möglich, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten vibronischen Sensoren zur Präzisionsbefüllung von Behältern mit
Flüssigkeiten zu verwenden. Ebenso ist es möglich, die vibronischen Sensoren zur volumetrischen Dosierung von Stoffen u.a. in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen und in der pharmazeutischen Industrie einzusetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Temperaturabhängigkeit der Dichte des Mediums, anhand der
Geometrie und des Materials der schwingfähigen Einheit und/oder anhand der
Temperaturdrift der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des
Schwingelements eine Größe, im Folgenden S-Faktor genannt, berechnet, die die Messempfindlichkeit bzw. Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements in Bezug auf eine Referenzfrequenz beschreibt.
Bevorzugt wird der S-Faktor nach folgender Formel ermittelt:
~ p0 - (ß - 2Q wobei C den Temperaturkoeffizienten des schwingfähigen Elements, ß den
Temperaturkoeffizienten der Dichte des flüssigen Mediums und p0 die Dichte des flüssigen Mediums kennzeichnet.
Die Schwingfrequenz der Stimmgabel - oder der Membran - eines vibronischen Sensors hängt von der Mediumsdichte, der Mediumstemperatur und der Sensortemperatur ab. Ohne Einschränkung wird der Einfachheit halber im Folgenden stets auf die Stimmgabel Bezug genommen. Betrachten wir zuerst den vibronischen Sensor selbst: Der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem der Sensor gefertigt ist, ist temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur ab. Ebenso nimmt die Schwingfrequenz des vibronischen Sensors ab, wenn die Stimmgabel aufgeheizt wird.
Schauen wir uns das flüssige Medium an, dessen Grenzstand detektiert werden soll: Die Dichte von flüssigen Medien ist ebenfalls temperaturabhängig und wird kleiner mit steigender Temperatur. Da die Schwingfrequenz nach der Formel (1 ) dichteabhängig ist, erhöht sich mit abfallender Dichte die Schwingfrequenz der Stimmgabel. Kennzeichnet fT die Schwingfrequenz bei einer Temperatur T im Vakuum und fM die
Schwingfrequenz bei der Temperatur T im flüssigen Medium, lautet die Formel (1 ) folgendermaßen:
Figure imgf000007_0001
Bezogen auf eine relative Frequenzänderung lässt sich die Formel (2) wie folgt umschreiben:
Figure imgf000007_0002
Der S-Faktor hängt von der Geometrie und dem Material der Stimmgabel ab und ist unabhängig von der Temperatur. Der S-Faktor kann bei typischen vibronischen Sensoren mit Stimmgabeln, die üblicherweise zur Grenzstanddetektion in flüssigen Medien eingesetzt werden, zwischen 0,5 und ca. 2 cm3/g betragen.
Ändert sich die Temperatur um ΔΤ von T auf T +ΔΤ, so ändert sich die Dichte p1 des Mediums nach folgender Formel:
Pl = p0 - (l + ß - AT) , (3)
Der Koeffizient ß kennzeichnet hierbei die Abhängigkeit der Dichte p0 des Mediums von der Temperatur T.
Als Folge der Temperaturabhängigkeit der Dichte p0 des Mediums ändert sich die Schwingfrequenz fT+AT des vibronischen Sensors in Gleichung (2) wie folgt, wobei die Konstante C die Änderung der Schwingfrequenz fT infolge der Temperaturänderung ΔΤ beschreibt: fT+AT=fT-( + C-AT) (4) Unter Berücksichtigung der Temperaturänderung T + AT lautet die Gleichung (2):
Figure imgf000008_0001
Die Schwingfrequenz ist temperaturunabhängig, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
Figure imgf000008_0002
oder:
Figure imgf000008_0003
Da die Konstante C, die die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz charakterisiert, in einem Bereich von -(2...2,5)*10-41/°C liegt, kann der quadratische Term entfallen und die Gleichung (6) lautet wie folgt: (\ + 2-C-AT)-(\ + S-p0)-\-S-p0-(\ + ß-AT) 0
(l + S-p0-(l + ß-AT))-(l + S-p0) ~ '
bzw:
(l + 2-C-AT)-(l + S-p0)-l-S-p0-(l + ß-AT)*0 (9) 2-C + 2-C-S- p0 -S-p0 -J3 0. (10)
Aus der Gleichung (10) kann der S-Faktor bestimmt werden, der - wie bereits gesagt - die Messempfindlichkeit der schwingfähigen Einheit bzw. des vibronischen Sensors in Wechselwirkung mit einem Medium der Dichte p0 beschreibt: Ist die schwingfähige Einheit, insbesondere eine Stimmgabel, so ausgestaltet, dass sie eine durch die Konstante C definierte Temperaturdrift der Schwingfrequenz aufweist und einen nach Formel (1 1 ) berechneten S-Faktor hat, so wird die
Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz des vibronischen Sensors in dem Medium zumindest näherungsweise eliminiert.
Falls der vibronische Sensor den Grenzstand des Mediums in einem Behälter temperaturunabhängig immer dann detektieren soll, wenn die Stimmgabel eine definierte Eintauchtiefe in dem Medium hat, muss der vibronische Sensor bei Erreichen des vorgegebenen Grenzstands stets die gleiche Schwing-frequenz aufweisen. Dies ist unter der in Gleichung (1 1 ) angegebenen Bedingung zumindest näherungsweise der Fall. Erfindungsgemäß existiert für eine ausgewählte Kombination einer Stimmgabel aus einem vorgegebenen Material mit einem Temperaturkoeffizienten C und einer Flüssigkeit mit einer Dichte p0 , wobei die Dichte einen Temperaturkoeffizienten ß aufweist, genau ein S-Faktor = const., über den sich die erfindungsgemäße automatische
Temperaturkompensation realisieren lässt. Erfindungsgemäß erfolgt die
Temperaturkompensation also stets nur für eine klar ausgewiesene Kombination von Stimmgabel und flüssigem Medium. Die erfindungsgemäße Lösung zur Temperaturkompensation eines vibronischen Sensors benötigt keine aufwändige Kalibration, wie sie für die bekannten Messsysteme mit einem Temperaturmesssensor erforderlich ist. Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Vibrationssensor mit quasi intrinsischer Temperaturkompensation durch eine hohe Zuverlässigkeit aus, da nur eine Messgröße - nämlich die Schwingfrequenz - ausgewertet wird. Für eine Kalibration des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors über den S-Faktor nach Formel (1 1 ) genügt es vollkommen, wenn der S-Faktor überprüft wird. Dies macht den Sensorabgleich und die Kalibration während des
Herstellungsprozesses sehr einfach und wirtschaftlich effizient. Als besonders günstig wird es im Zusammenhang mit der Erfindung angesehen, wenn der S-Faktors über eine funktionale Beziehung zur Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements in das flüssige Medium definiert wird.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass anhand der funktionalen Beziehung zwischen dem S-Faktor und der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit bzw. des
Schwingelements die optimale Eintauchtiefe in dem jeweiligen Medium ermittelt wird. Bei dieser optimalen Eintauchtiefe ist die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements unabhängig von der Temperatur. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die optimale Eintauchtiefe als Schaltpunkt der schwingfähigen Einheit bzw. des
Schwingelements in dem zu bestimmenden oder überwachenden flüssigen Medium ermittelt und gespeichert.
Weiterhin wird die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des
Schwingelements auf einen konstanten Wert geregelt wird, so dass die optimale Eintauchtiefe unabhängig von der Temperatur wird. Bevorzugt wird so vorgegangen, dass als Schwingelement eine Stimmgabel verwendet wird, die mathematisch simuliert wird. Insbesondere kommt bie der mathematischen Simaulation eine Finite Elemente Berechnung zur Anwendung. Anhand der Simulation der Stimmgabel wird eine universelle, in einem breiten Temperaturbereich zumindest näherungsweise temperaturunabhängig arbeitende Stimmgabel gefertigt, die in beliebigen flüssigen Medien einsetzbar ist. Ein Beispiel ist im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert. Hierzu wird die optimale Eintauchtiefe anhand der funktionalen
Abhängigkeit zwischen dem S-Faktor und der Eintauchtiefe ermittelt.
Weiterhin wir die Aufgabe durch einen Vibronischen Sensor gelöst, bei dem die schwingfähige Einheit bzw. das Schwingelement so ausgestaltet ist und/oder dass das Material, aus dem die schwingfähige Einheit bzw. das Schwingelement gefertigt ist, so gewählt ist, dass sich als Folge einer Temperaturänderung in dem flüssigen Medium eine temperaturabhängige Änderung der Dichte des flüssigen Mediums und eine
temperaturabhängige Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements zumindest näherungsweise kompensieren.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Schwingelement um zwei symmetrisch an einer Membran befestigte Gabelzinken, wobei die Gabelzinken im Wesentlichen einen kreisförmigen, einen rechteckigen oder einen ovalen Querschnitt aufweisen. Für hochgenaue Messungen des Grenzstandes sind Stimmgabeln am besten geeignet, da sie unabhängig von dem zu bestimmenden oder zu überwachenden Medium
kompensierte Massenträgheitsmomente haben. Allerdings muss die Lage der
Gabelzinken berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, dass die beiden Gabelzinken zumindest näherungsweise identisch mit der Flüssigkeit bedeckt sind. Diese Bedingung kann für einen Membranschwinger ebenfalls realisiert werden:
Falls der Membranschwinger zwei Biegungsbereiche mit gegenphasigen Schwingungen der Membran aufweist, müssen diese Biegungsbereiche ebenfalls zumindest näherungsweise identisch mit der Flüssigkeit bedeckt sein. Daher ist auch ein
Membranschwinger in Zusammenhang mit der Erfindung einsetzbar. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines vibronischen Sensors, der als
Überfüllsicherung verwendet wird,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer schwingfähigen Einheit, die als Stimmgabel ausgestaltet ist,
Fig. 3: eine Kurve, die die funktionale Abhängigkeit des S-Faktors von der Eintauchtiefe zeigt,
Fig. 4: ein Diagramm, das die Schwingfrequenzen von drei Stimmgabeln aus Edelstahl 1.4435 in drei entsprechenden Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C zeigt, und
Fig. 5: ein Diagramm, das die Schwingfrequenzen von drei Stimmgabeln aus Hastelloy in drei entsprechenden Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C zeigt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines vibronischen Sensors, der als
Überfüllsicherung verwendet wird, d.h. die Längsachse des vibronischen Sensors ist senkrecht zur Oberfläche des flüssigen Mediums 6 orientiert, so dass die beiden
Gabelzinken 3 stets auf gleicher Höhe mit dem flüssigen Medium 6 in Kontakt sind. Der Vibronische Sensor besteht aus einem Gehäuse 7, das in einem Endbereich durch die Membran 2 verschlossen ist. An der Membran 2 sind zwei Zinken einer Stimmgabel 1 befestigt. Die Stimmgabel 1 wird von der Sende-/Empfangseinheit 4 bevorzugt zu
Schwingungen auf der Resonanzfrequenz f0 angeregt. In dem Gehäuse 7 ist weiterhinn die Auswerteeinheit 5 angeordnet - also die Einheit, die ein Schaltsignal generiert, wenn der zu überwachende Füllstand erreicht ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer schwingfähigen Einheit 1 mit einem als Stimmgabel 2 ausgestalteten Schwingelement. Das definierte Design der Stimmgabel 2, die den vibronischen Sensor temperaturunabhängig macht, kann mit der Finiten Elemente Methode simuliert werden. Je nach Geometrie der Stimmgabel 2 ändert sich die mathematische Beschreibung des S-Faktors. Für die in Fig. 2 gezeigte Gabelgeometrie mit zwei Gabelzinken 3 mit rechteckigem Querschnitt lautet die Formel für die
Messempfindlichkeit bei einer Länge L=40mm der Stimmgabel 2 wie folgt:
Figure imgf000012_0001
Hierbei kennzeichnet pm die Dichte des Materials, aus dem die Stimmgabel 1 gefertigt ist. Diese beträgt z.B. für Edelstahl 1 .4462: 7,80 g/cm3, für Edelstahl 1.4435: 8,00 g/cm3 und für Hastelloy C4: 8,64 g/cm3.
p0 ist die Dichte der Flüssigkeit - gleichfalls mit der Dimension g/cm3.
In dieser Formel entspricht dem S-Faktor der konstante Term
0,708 - a + 1,060
b ' Pm
Über die geometrischen Parameter (in Fig. 2 sind dies a, b, L) und die
Materialeigenschaften kann die Stimmgabel 1 so modelliert werden, dass der für die Temperaturunabhängigkeit geforderte S-Faktor vorliegt. Um einen S-Faktor von 1 ,8 cm3/g zu erhalten, wird beispielsweise eine Stimmgabel 1 aus einer Edelstahllegierung 1.4435 mit einer Zinkendicke von b=1 ,0 mm und einer Zinkenbreite von a=18,8 mm modelliert. Der S-Faktor von 1 ,8 cm3/g wird erreicht, wenn die Stimmgabel 1 komplett in das Medium eintaucht. Über eine geeignete Wahl der Eintauchtiefe h* ist es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung dann möglich, eine universelle
Stimmgabel 1 bereitzustellen, die in unterschiedlichen flüssigen Medien 6 eingesetzt werden kann.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Kurve ist der S-Faktors gegen die Eintauchtiefe h aufgetragen. Jeder Eintauchtiefe h ist ein entsprechender S-Faktor eindeutig zugeordnet. Über die entsprechende Wahl des Schaltpunktes SP lässt sich ein temperaturunabhängiger vibronischer Sensor in einer Vielzahl von unterschiedlichen flüssigen Medien 6 herstellen. Somit ist der erfindungs-gemäße temperaturunabhängige vibronische Sensor universell einsetzbar. Nachfolgend sind beispielhaft zwei konkrete Ausgestaltungen des erfindungs-gemäßen vibronischen Sensors für den Einsatz in zwei definierten Medien beschrieben.
1. Die Stimmgabel ist aus Edelstahl 1 .4435 gefertigt und schwingt bei 20°C mit einer Schwingfrequenz von 1059 Hz. Der Koeffizient C beträgt -0,00024 1/°C. Die vibronischen Sensoren - basierend auf dem Schwinggabel-Prinzip - sind für die drei nachfolgend genannten Flüssigkeiten ausgelegt:
Ethanol, p0 = 0,791 g/cm3, ß = 0,00086 1/°C;
Benzin, p0 = 0,78 g/cm3, ß = 0,00091 1/°C;
Ethylenglykol, p0 = 1 ,1 13 g/cm3, /? = 0,00070 1/°C.
Bei jeder Stimmgabel ist der S-Faktor nach Gleichung (1 1 ) für die entsprechende Flüssigkeit bestimmt worden: S-Faktor für Ethanol: S = 1 ,597 cm3/g;
S-Faktor für Benzin: S = 1 ,431 cm3/g;
S-Faktor für Ethylenglykol: S = 1 ,960 cm3/g.
Wie anhand der in Fig. 4 gezeigten Kurven klar ersichtlich ist, ist bei den nach der Formel (1 1 ) gestalteten Stimmgabeln 2 die Schwingfrequenz f nahezu unabhängig von der
Temperatur. Die Frequenzabweichung im Temperaturbereich von (-20...+60)°C beträgt +0,015 Hz für alle drei Flüssigkeiten mit erfindungsgemäß gestalteten Stimmgabeln 2. Im zuvor genannten Temperaturbereich liegt die berechnete Abweichung des Schaltpunktes bei 0,003 mm. Der Schaltpunkt eines vibronischen Sensors entspricht dem
Bedeckungsgrad der Stimmgabel 2 mit Medium 6, wenn ein Schaltsignal "Grenzstand erreicht" ausgegeben wird. Im Schaltpunkt SP ist erfindungsgemäß die Pegelabweichung unabhängig von der Prozesstemperatur und zwar mindestens in einem
Temperaturbereich von -20°C bis +60°C. Mit der erfindungsgemäßen Lösung mit eliminiertem Temperatureinfluss lässt sich daher eine hohe Messgenauigkeit erreichen. Diese hohe Messgenauigkeit wird weder mit Ultraschall- noch mit
Mikrowellenmessverfahren noch mit kapazitiven Verfahren erreicht.
2. Die Stimmgabel 2 ist aus Hastelloy C22 gefertigt und schwingt bei 20°C mit einer Schwingfrequenz von 1450 Hz. Der Koeffizient C beträgt -0,00017 1/°C. Wiederum sind die Stimmgabeln 2 der vibronischen Sensoren für drei Flüssigkeiten ausgelegt:
Ethanol, p0 = 0,791 g/cm3, ß = 0,00086 1/°C;
Benzin, p0 = 0,78 g/cm3, ß = 0,00091 1/°C;
Ethylenglykol, p0 = 1 ,1 13 g/cm3, ß = 0,00070 1/°C.
Bei jeder Stimmgabel wurde auch hier der S-Faktor nach Gleichung (1 1 ) für die entsprechende Flüssigkeit bestimmt: S-Faktor für Ethanol: S = 0,827 cm3/g;
S-Faktor für Benzin: S = 0,765 cm3/g;
S-Faktor für Ethylenglykol: S = 0,849 cm3/g.
Fig. 5 zeigt die Schwingfrequenzen f von drei Stimmgabeln 2 aus Hastelloy in
Wechselwirkung mit drei unterschiedlichen Flüssigkeiten 6 in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C. Wie anhand der in Fig. 5 gezeigten Kurven klar ersichtlich ist, ist auch hier bei den nach der Formel (1 1 ) gestalteten Stimmgabeln 1 die Schwingfrequenz f unabhängig von der Temperatur. Die Frequenzabweichung der entsprechend gestalteten Stimmgabeln 1 im Temperaturbereich von (-20...+60)°C beträgt lediglich +0,01 Hz. Daher ist auch die Grenzstanddetektion von der Temperatur im Wesentlichen unabhängig. Die berechnete Abweichung des Schaltpunktes SP bei der Grenzstanddetektion liegt bei sehr guten 0,002 mm.
Erfindungsgemäß wird für jedes flüssige Medium 6, dessen Füllstand überwacht werden soll, und für jede Ausgestaltung (Form und Material) einer Stimmgabel oder Membran der S-Faktor berechnet. Insbesondere ist die Stimmgabel 1 so beschaffen, dass über den korrekten S-Faktor die Temperaturunabhängigkeit der Füllstandsmessung mittels des vibronischen Sensors erreicht wird. Bei Realisierung dieses S-Faktors zeigen die
Schwingfrequenz und die Eintauchtiefe h der schwingfähigen Einheit 1 keine
Abhängigkeit von der Temperatur.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt die folgenden Schritte ein:
1. Auf der Basis der Mediumseigenschaften (Temperaturkurve der Dichte) und aufgrund der Stimmgabeleigenschaften (Geometrie, Material und Temperaturdrift der
Schwingfrequenz) wird der S-Faktor der Stimmgabel 1 berechnet.
2. Aufgrund der Abhängigkeit des S-Faktors der Stimmgabel 1 von der Eintauchtiefe h, wird die optimale Eintauchtiefe h* ermittelt, bei der die Schwingfrequenz f unabhängig von der Temperatur T ist. Die optimale Eintauchtiefe h* definiert den Arbeitspunkt/Schaltpunkt SP der Stimmgabel 1 . Abhängig von der zu bestimmenden oder zu überwachenden Flüssigkeit 6 können sich relativ große Unterschiede in der Eintauchtiefe h zeigen. Diese Unterschiede in der Eintauchtiefe h können durchaus bis zu 15 mm betragen. 3. Um die Messung bzw. die Überwachung des Grenzstands temperaturunabhängig auf der optimalen Eintauchtiefe h* zu halten, wird die Schwingfrequenz f des vibronischen Sensors auf einen konstanten Wert geregelt.
Über diese besonders bevorzugte Ausgestaltung ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren bzw. den erfindungsgemäßen vibronischen Sensor zur Grenzstanddetektion in unterschiedlichen Flüssigkeiten einzusetzen. Es wir ein universeller,
temperaturunabhängiger vibronischer Sensor geschaffen.
Der vibronische Grenzstandsensor arbeitet je nach Ausgestaltung entweder hochpräzise in einem definierten flüssigen Medium 6 oder aber auch in beliebigen flüssigen Medien 6. Dies gilt insbesondere unter den folgenden Bedingungen: a) die Zusammensetzung des flüssigen Mediums 6 ändert sich nicht;
b) die Temperaturabhängigkeit der Dichte bekannt ist;
c) die funktionale Beziehung zwischen dem S-Faktor und der Eintauchtiefe h und die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz f des vibronischen Sensors sind bekannt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums (6) in einem Behälter mittels eines vibronischen Sensor mit einer schwingfähigen Einheit (1 ), die eine Membran (2) mit ggf. einem an der Außenfläche der Membran (2 ) befestigten Schwingelement (3) aufweist und die auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist, wobei die schwingfähige Einheit (1 ) mit einer vorgegebenen Schwingfrequenz (f) zu Schwingungen anregt wird und wobei die
Schwingungen der schwingfähigen Einheit (1 ) empfangen werden, und wobei das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes signalisiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die schwingfähige Einheit (1 ) bzw. das Schwingelement (2) so dimensioniert wird und/oder dass das Material, aus dem die schwingfähige Einheit (1 ) bzw. das
Schwingelement (2) gefertigt ist, so gewählt wird, dass sich als Folge einer
Temperaturänderung (ΔΤ) in dem flüssigen Medium (6) eine temperaturabhängige Änderung der Dichte (p0 ) des flüssigen Mediums (6) und eine temperaturabhängige
Änderung der Schwingfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des
Schwingelements (2) zumindest näherungsweise kompensieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass anhand der Temperaturabhängigkeit der Dichte {p0 ) des Mediums (6), anhand der
Geometrie und des Materials der schwingfähigen Einheit (1 ) und/oder anhand der Temperaturdrift der Schwingfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des
Schwingelements (3) eine Größe, im Folgenden S-Faktor genannt, berechnet wird, die die Messempfindlichkeit bzw. Änderung der Schwingfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (3) in Bezug auf eine Referenzfrequenz beschreibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
wobei der S-Faktor nach folgender Formel ermittelt wird:
s ~ 2C
P„- (ß-2C) wobei C den Temperaturkoeffizienten des schwingfähigen Elements (1 ), ß den
Temperaturkoeffizienten der Dichte ( p0 ) des flüssigen Mediums (6) und p0 die Dichte bei der Temperatur T0 des flüssigen Mediums (6) kennzeichnet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
wobei der S-Faktors über eine funktionale Beziehung zur Eintauchtiefe (h) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (3) in das flüssige Medium (6) definiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei anhand der funktionalen Beziehung zwischen dem S-Faktor (S) und der
Eintauchtiefe (h) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (3) die optimale Eintauchtiefe (h*) in dem jeweiligen Medium (6) ermittelt wird, bei der die Schwingfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (3) unabhängig von der Temperatur (T) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optimale Eintauchtiefe (h*) als Schaltpunkt (SP) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (3) in dem zu bestimmenden oder überwachenden flüssigen Medium (6) ermittelt und gespeichert wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwingfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des Schwingelements (3) auf einen konstanten Wert geregelt wird, so dass die definierte optimale Eintauchtiefe (h*) unabhängig von der Temperatur (T) wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Schwingelement (3) eine Stimmgabel verwendet wird, die mathematisch simuliert wird und wobei anhand der Simulation der Stimmgabel eine universelle, in einem breiten Temperaturbereich zumindest näherungsweise temperaturunabhängig arbeitende Stimmgabel gefertigt wird, die in beliebigen flüssigen Medien (6) einsetzbar ist.
9. Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums (6) in einem Behälter, mit einem Gehäuse und einer schwingfähigen Einheit (1 ), die eine Membran (2) mit ggf. einem an der Außenfläche der Membran (2) befestigten Schwingelement (3) aufweist und die auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (4) vorgesehen ist, die die schwingfähige Einheit (1 ) mit einer vorgegebenen
Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (1 ) empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (5) vorgesehen ist, die das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes signalisiert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die schwingfähige Einheit (1 ) bzw. das Schwingelement (2) so ausgestaltet ist und/oder dass das Material, aus dem die schwingfähige Einheit (1 ) bzw. das
Schwingelement (2) gefertigt ist, so gewählt ist, dass sich als Folge einer
Temperaturänderung (ΔΤ) in dem flüssigen Medium (6) eine temperaturabhängige Änderung der Dichte ( p0 ) des flüssigen Mediums (6) und eine temperaturabhängige
Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit (1 ) bzw. des
Schwingelements (2) zumindest näherungsweise kompensieren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Schwingelement (3) um zwei Gabelzinken handelt, wobei die Gabelzinken im Wesentlichen einen kreisförmigen, einen rechteckigen oder einen ovalen Querschnitt aufweisen.
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