WO2019120941A1 - Verfahren zur zustandsüberwachung eines vibronischen sensors - Google Patents

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WO2019120941A1
WO2019120941A1 PCT/EP2018/083168 EP2018083168W WO2019120941A1 WO 2019120941 A1 WO2019120941 A1 WO 2019120941A1 EP 2018083168 W EP2018083168 W EP 2018083168W WO 2019120941 A1 WO2019120941 A1 WO 2019120941A1
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temperature
piezoelectric element
capacitance
determined
value
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PCT/EP2018/083168
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Inventor
Martin Urban
Raphael KUHNEN
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Endress+Hauser SE+Co. KG
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level
    • G01F25/24—Testing proper functioning of electronic circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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
    • G01N2009/006—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 vibrating tube, tuning fork

Definitions

  • the present invention relates to a method for condition monitoring of a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium having a mechanically oscillatable unit and a drive / receiving unit having at least one piezoelectric element.
  • the process variable is one
  • Level in particular a limit level, the density, or the viscosity of the medium.
  • the medium is located in a container, for example a container or a pipe, to which container the device, in particular detachably, can be attached, such that the oscillatable unit comes at least temporarily and / or partially into contact with the medium.
  • Vibronic sensors are widely used in process and / or process applications
  • the mechanically oscillatable unit In the case of level measuring devices, the mechanically oscillatable unit is often in the form of a tuning fork, a single rod or a membrane. However, in the case of flowmeters, the mechanically oscillatable unit can also be designed as a vibratable tube through which the respective medium flows, for example in a measuring device operating according to the Coriolis principle. In continuous operation, the mechanically oscillatable unit is excited by means of a drive / receiving unit in the form of an electromechanical transducer unit to mechanical vibrations, which comprises at least one piezoelectric element in the case of the present application.
  • Corresponding field devices are manufactured by the applicant in great variety and distributed in the case of level measuring devices, for example under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT.
  • the underlying measurement principles are in principle made of a variety of
  • the drive / receiving unit excites the mechanically oscillatable unit by means of an electrical pickup signal to mechanical vibrations. Conversely, the drive / receiving unit, the mechanical vibrations of the mechanical
  • the drive / receiving unit is either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive / receiver unit.
  • the drive / receiving unit is in many cases part of a feedback electrical
  • Oscillation circuit by means of which the excitation of the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations takes place.
  • the resonant circuit condition according to which the sum of all amplifications in the resonant circuit, or the amplification factor> 1, and all phases occurring in the resonant circuit are multiples of 360 ° must be satisfied.
  • a certain phase shift between the excitation signal and the received signal must be ensured.
  • a predefinable value for the phase shift that is to say a setpoint value for the phase shift between the excitation signal and the received signal, is frequently set.
  • Phase shift between the excitation signal and the received signal on the basis of the respectively present frequency of the received signal is also disclosed by means of a so-called frequency search, as disclosed for example in DE102009026685A1, DE102009028022A1 and DE102010030982A1, or by means of a phase-locked loop (PLL) such as described in DE102010030982A1, possible.
  • a so-called frequency search as disclosed for example in DE102009026685A1, DE102009028022A1 and DE102010030982A1
  • PLL phase-locked loop
  • Received signal is characterized by its frequency ⁇ , amplitude A and / or phase F. Accordingly, changes in these quantities are usually used to determine the respective process variable, such as a predetermined fill level, a flow rate, the density and / or the viscosity.
  • a process variable such as a predetermined fill level, a flow rate, the density and / or the viscosity.
  • the oscillatable unit distinguish whether the oscillatable unit is covered by the liquid or vibrates freely.
  • These two states are differentiated, for example, based on different resonance frequencies, ie a frequency shift, in the presence of a predefinable phase shift between the start signal and the receive signal.
  • the density and / or viscosity in turn can only be determined with such a measuring device if the oscillatable unit is covered by the medium.
  • suitable vibronic sensors and corresponding measurement principles have become known for example from the documents DE10057974A1, DE102006033819A1, DE10050299A1, or DE10200704381 1A1.
  • a measuring device comprises at least one
  • Power measuring unit which monitors the energy requirement of the pickup / receiver unit, at least in the case of resonant vibrations. This makes it possible to make a statement about the quality of the vibronic sensor. The higher the quality, the less energy is needed to excite resonant vibrations. So increases the energy demand for the stimulation of
  • a vibronic sensor with an electronic unit which comprises a phase measuring unit, an adjustable phase shifter and a Phaseneinstellech, which regulates the adjustment of the phase shift between the start signal and the received signal.
  • Control parameters can be updated and stored in predeterminable time intervals over the operating time of the sensor.
  • a condition monitoring can be performed based on a comparison between stored control parameters and current control data.
  • the present invention has the object to expand the diagnostic capabilities with respect to a vibronic sensor.
  • This object is achieved by the method for condition monitoring of a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium having a mechanically oscillatable unit and at least one drive / receiving unit with at least one piezoelectric element according to claim 1, and by the device for determining at least a process variable of a medium according to claim 15.
  • the method according to the invention comprises the following method steps: Determining a capacitance of the piezoelectric element
  • the oscillatable unit is excited by means of the drive / receiving unit via an electrical pick-up signal to mechanical vibrations and receive the mechanical vibrations of the oscillatory unit via a received electrical signal.
  • a value for the capacitance of the piezoelectric element can also be determined.
  • the capacitance is in turn a measure of the polarization of the piezoelectric element, and thus for the quality of the electromechanical conversion. If an electrical voltage is applied to a piezoelectric element, this voltage causes a mechanical deformation of the piezoelectric element. Conversely, mechanical deformation of the piezoelectric element causes it to polarize.
  • the polarization of a piezoelectric element depends on the state of each.
  • Piezoelectric element meet, and thus on the piezoelectric element and / or the vibration behavior of the sensor, which depends largely on the quality of the electromechanical conversion.
  • Deviation the limit so a message about the state of the sensor is generated.
  • the predefinable limit value can be, for example, a measured value for the capacitance in the fully functional state of the piezoelectric element, for example in the delivery state.
  • the status indicator is a statement about a, in particular possible, damage, or a defect, of the at least one piezoelectric element.
  • it may be damage with a mechanical cause.
  • it can also be a temperature-related damage, or a
  • An embodiment of the method provides that the capacitance is determined as a function of the temperature.
  • the capacitance of the piezoelectric element is, as already mentioned, a function of the temperature. By determining the capacitance as a function of the temperature, it is possible to conclude an at least partially permanent depolarization of the piezoelectric element, for example due to at least temporarily high operating temperatures and / or aging.
  • a further embodiment of the method provides that a threshold value for the capacity and / or a limit value for the temperature of each of the at least one piezoelectric element is determined, from which threshold value and / or limit value a damage of the at least one piezoelectric element is detected.
  • the limit of the temperature is
  • the threshold for the capacitance is preferably selected such that the threshold is the capacitance of the piezoelectric element at the threshold for the temperature.
  • the first predeterminable capacitance value is selected such that it corresponds to the threshold value.
  • a warning about a potential damage to the at least one piezoelectric element is output, wherein the second predeterminable capacitance value is selected such that it lies below the threshold value.
  • the capacity is thus in addition to a second predeterminable capacitance value, which is in particular smaller than the first predeterminable capacitance value.
  • a temperature limit range for the use of the device can be defined in this way.
  • Temperature in particular a temperature near the Curie temperature, but can not be completely excluded.
  • a temperature of the device and / or the medium is determined. It may then be assumed, for example, that the temperature of the medium and / or the device corresponds to the temperature of the piezoelectric element.
  • the temperature is determined based on the determined capacity. This can be done for example on the basis of a reference curve in which the capacity is shown as a function of the temperature.
  • the reference curve can be deposited, for example, in electronics of the device, for example.
  • the temperature is measured by means of a temperature sensor.
  • the temperature sensor may be integrated in a separate meter, or part of the device.
  • An embodiment further includes that the temperature is measured by means of the temperature sensor and determined on the basis of the determined capacity, wherein the means of the
  • Temperature sensor measured temperature is compared with the determined by the capacity temperature.
  • Temperature sensor measured temperature with the temperature determined by the capacitance over a predetermined temperature limit beyond a message, in particular on the state of the temperature sensor is output. It can therefore be monitored by means of the method according to the invention, a further temperature sensor, or it can be made a mutual monitoring of the temperature sensor and the device.
  • the status indicator is a statement about an aging of the at least one piezoelectric element.
  • the status indicator is a statement about a polarization of the at least one piezoelectric element.
  • the message about the state is output only after a predefinable time interval, which is determined on the basis of the capacity and / or temperature. In the case that it is provided, for example, the sensor at high
  • a period of operation should be limited depending on the measured capacitance. For example, such a procedure may be useful in connection with the specification of the second predefinable limit value. In this case, the operation of the device is in particular in a
  • the object underlying the invention is further achieved by a device for
  • Determination and / or monitoring of at least one process variable of a medium with a mechanically oscillatable unit and at least one drive / receiving unit with at least one piezoelectric element which device is designed to carry out at least one method according to the invention.
  • the device comprises a temperature sensor for determining the temperature of the device and / or the medium.
  • Fig. 1 a schematic sketch of a vibronic sensor
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the polarization of a piezoelectric element in FIG.
  • a vibronic sensor 1 is shown.
  • the sensor has a mechanical
  • oscillatable unit 4 in the form of a tuning fork, which at least partially and / or temporarily immersed in a medium 2, which is located in a container 3.
  • the oscillatable unit 4 is excited by means of the exciting / receiving unit 5 with at least one piezoelectric element to mechanical vibrations, and may for example by a piezoelectric Stack or bimorph drive.
  • the drive / receiving unit 5 is usually bonded and / or non-positively connected to the mechanically oscillatable unit 4, for example, it is glued to the oscillatable unit 4. It is both possible to use a single drive / receiving unit 5 which serves to excite the mechanical vibrations and to detect them. However, it is also conceivable to realize a drive unit and a receiving unit. Shown in Fig. 1 is further an electronic unit 6, by means of which the
  • the oscillatable unit 4 is excited via the drive / receiving unit 5 by means of an electrical pickup signal to mechanical vibrations. Conversely, the mechanical vibrations of the oscillatable unit 4 are received via the drive / receiving unit 3 in the form of an electrical received signal and evaluated with regard to the respective process variable. This is done in a suitably designed electronic unit 6. Das
  • Vibration behavior of the oscillatable unit 4, and consequently the measurement accuracy of the device depend crucially on the quality of the electromechanical conversion of the drive / receiving unit 5 from.
  • the method according to the invention now makes it possible to carry out a condition monitoring of a vibronic sensor 1.
  • damage to the piezoelectric element can be detected.
  • polarization or aging of the piezoelectric element can be monitored.
  • the capacitance C of the piezoelectric element is determined and compared with a first predefinable capacitance value C ref, i . The comparison then becomes one
  • the Status indicator determined and issued a message about the state.
  • the message can be issued continuously at every point in time when the method is carried out, or only in the event that, based on the comparison, damage to the piezoelectric element actually occurs.
  • a change in the capacitance C may be caused for example by aging of the piezoelectric element. As already mentioned, aging describes the aspiration of
  • piezoelectric element to restore its natural, undeformed lattice state.
  • the capacitance C of a piezoelectric element is fundamentally dependent on the temperature T.
  • a schematic profile of the capacitance C as a function of the temperature T is shown in FIG. 2.
  • T temperature up to about 200 ° C
  • the capacitance C increases substantially linearly with the temperature T.
  • polarization and depolarization of the piezoelectric element are substantially reversible (dashed line) due to the piezoelectric effect.
  • a temperature-induced damage to the piezoelectric element is usually
  • a threshold value for the capacitance Cs and / or a limit value for the temperature TG of each of the at least one piezoelectric element can be determined as of which threshold value Cs and / or limit value TG a damage to the at least one piezoelectric element is detected.
  • This can, as in the case of FIG. 2, lie in a transition region between a reversible region in which the capacitance C increases linearly with the temperature T, and an irreversible region in which the capacitance C does not increase linearly with the temperature. But he can also be in one of these two areas.
  • the limit should not be too close to the capacity corresponding to the Curie temperature T c at which complete depolarization occurs.
  • the first deliverable capacitance value C ref, i is selected for the embodiment shown here so that it corresponds to the threshold value Cs.
  • an optionally definable second predefinable limit value C ref, 2 for the capacitance when it reaches a message about a potential damage can be output.
  • the second predefinable limit value C ref, 2 is selected such that it is smaller than the first predefinable limit value C ref, i for the capacitance.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsuberwachung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit (5) mit zumindest einem piezoelektrischen Element, umfassend folgende Verfahrensschritte: Bestimmen einer Kapazität (C) des piezoelektrischen Elements Vergleichen der Kapazität (C) mit einem ersten vorgebbaren Kapazitätswert (Cref,1), Ermitteln eines Zustandsind ikators aus dem Vergleich, und Ausgeben einer Meldung über den Zustand. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens ausgestaltet ist.

Description

Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und einer Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen
Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, um die Dichte, oder um die Viskosität des Mediums. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, beispielsweise einem Behälter oder einer Rohrleitung, an welches Behältnis die Vorrichtung, insbesondere lösbar, angebracht werden kann, derart, dass die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise und/oder teilweise mit dem Medium in Kontakt kommt.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder
Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten liegt die mechanisch schwingfähige Einheit häufig in Form einer Schwinggabel, eines Einstabs oder einer Membran vor. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät. Im fortlaufenden Betrieb wird die mechanisch schwingfähige Einheit mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche im Fall der vorliegenden Anmeldung zumindest ein piezoelektrisches Element umfasst.
Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von
Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch
schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen
Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher die Summe aller Verstärkungen im Schwingkreis, bzw. der Verstärkungsfaktor >1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung des vibronischen Sensors und damit einhergehend zur Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, mit sowohl analogen als auch digitalen Verfahren, bekannt geworden. Beispielsweise wird häufig eine vorgebbare Phasenverschiebung unter Verwendung eines geeigneten Filters eingestellt, oder die jeweils vorliegende Phasenverschiebung mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt. Aus der DE102006034105A1 ist in dieser Hinsicht bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der DE102007013557A1 beschrieben. Gemäß der DE102005015547A1 wird wiederum ein Allpass-Filters eingesetzt. Das Einstellen einer
Phasenverschiebung zwischen Anrege- und Empfangssignal anhand der jeweils vorliegenden Frequenz des Empfangssignals ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs, wie beispielsweise in der der DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , und DE102010030982A1 offenbart, oder mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase-Locked-Loop, PLL), wie in der DE102010030982A1 beschrieben, möglich.
Grundsätzlich sind bei einem vibronischen Sensor sowohl das Anregesignal als auch das
Empfangssignal charakterisiert durch ihre Frequenz†, Amplitude A und/oder Phase F. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße, wie einem vorgegebenen Füllstand, eines Durchflusses, der Dichte und/oder der Viskosität, herangezogen. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird
beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, bei Vorliegen einer vorgebbaren Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal, unterschieden. Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Für die Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität geeignete vibronische Sensoren und entsprechende Messprinzipien sind beispielsweise aus den Dokumenten DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE10050299A1 , oder auch DE10200704381 1A1 bekannt geworden.
Um das zuverlässige Arbeiten eines vibronischen Sensor gewährleisten zu können, sind aus dem Stand der Technik ferner verschiedene Verfahren bekannt geworden, mittels welcher Aussagen über den Zustand eines vibronischen Sensors getroffen werden können. Aus der DE102005036409A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit zur Überwachung der Qualität eines vibronischen Sensors bekannt geworden. Eine Messvorrichtung umfasst mindestens eine
Leistungsmesseinheit, welche den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit zumindest für den Fall von Resonanzschwingungen überwacht. Hierdurch lässt sich eine Aussage über die Güte des vibronischen Sensors machen. Je höher die Güte, desto weniger Energie wird zur Anregung von Resonanzschwingungen benötigt. Steigt also der Energiebedarf zur Anregung von
Resonanzschwingungen während eines vorgebbaren Zeitraums an, oder übersteigt die während der Fertigung des Sensors ermittelte Güte einen vorgebbaren Grenzwert, so kann auf einen Defekt, das Vorliegen von Ansatz im Bereich der schwingfähigen Einheit oder ähnliches geschlossen werden.
Aus der DE102007008669A1 ist wiederum ein vibronischer Sensor mit einer Elektronikeinheit bekannt geworden, der eine Phasenmesseinheit, einen einstellbaren Phasenschieber und eine Phaseneinstelleinheit, welche die Einstellung der Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal regelt, umfasst. Steuerparameter können über die Betriebsdauer des Sensors in vorgebbaren Zeitabständen aktualisiert und hinterlegt werden. Ferner kann anhand eines Vergleichs zwischen hinterlegten Steuerparametern und aktuellen Steuerdaten eine Zustandsüberwachung vorgenommen werden.
Eine Möglichkeit zur Zustandsüberwachung eines elektromechanischen Resonators mit zumindest einem piezoelektrischen Element, insbesondere eines elektromechanischen Resonators eines vibronischen Sensors, ist in der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102016120326.2 beschrieben. Anhand eines Verstärkungsfaktors und einer mechanischen Güte des elektromechanischen Resonators wird eine elektromechanische Effizienz des Resonators bestimmt, aus welcher verschiedene Aussagen über den Zustand des Resonators gewonnen werden können, beispielsweise über das Schwingungsverhalten, oder die Alterung des Resonators oder ähnliches
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Diagnosemöglichkeiten bezüglich eines vibronischen Sensors zu erweitern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element nach Anspruch 1 , sowie durch die Vorrichtung zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums nach Anspruch 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: Ermitteln einer Kapazität des piezoelektrischen Elements
Vergleichen der Kapazität mit einem ersten vorgebbaren Kapazitätswert,
Ermitteln eines Zustandsindikators aus dem Vergleich, und
Ausgeben einer Meldung über den Zustand.
Im fortlaufenden Betrieb eines vibronischen Sensors wird die schwingfähige Einheit mittels der Antriebs-/Empfangseinheit über ein elektrisches Anregesignal zu mechanischen Schwingungen angeregt und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit über ein elektrisches Empfangssignal empfangen. Aus dem Empfangssignal neben der jeweiligen Prozessgröße, welche mittels des Sensors bestimmt und/oder überwacht wird, kann auch ein Wert für die Kapazität des piezoelektrischen Elements ermittelt werden. Die Kapazität ist wiederum ein Maß für die Polarisation des piezoelektrischen Elements, und damit einhergehend für die Güte der elektromechanischen Wandlung. Wird an ein piezoelektrisches Element eine elektrische Spannung angelegt, so bewirkt diese Spannung eine mechanische Deformation des piezoelektrischen Elements. Umgekehrt bewirkt eine mechanische Deformation des piezoelektrischen Elements eine Polarisation desselben.
Die Polarisation eines piezoelektrischen Elements hängt jeweils vom Zustand desselben ab.
Beispielsweise beeinflussen eine Alterung oder auch die Temperatur des piezoelektrischen
Elements die Polarisation maßgeblich. Oberhalb der sogenannten Curie-Temperatur, welche charakteristisch für das jeweilige piezoelektrische Material ist, findet beispielsweise eine vollständige Depolarisation des piezoelektrischen Elements statt. Aber auch schon Temperaturen, welche geringfügig unterhalb der Curie-Temperatur liegen, führen zu einer teilweise permanenten
Depolarisation des piezoelektrischen Elements. Als Alterung bezeichnet man dagegen das
Bestreben eines piezoelektrischen Elements, seinen unverformten Gitterzustand wiederherstellen zu wollen. Dies äußert sich in einer kontinuierlichen Abnahme der remanenten Polarisation.
Anhand der Kapazität lässt sich also vorteilhaft eine Aussage über die Polarisation des
piezoelektrischen Elements treffen, und damit einhergehend über das piezoelektrische Element und/oder das Schwingungsverhalten des Sensors, welches in hohem Maße von der Güte der elektromechanischen Wandlung abhängt.
Beispielsweise kann ermittelt werden, ob eine Abweichung der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Kapazität, bzw. eines ermittelten Wertes für diese Kapazität, und dem ersten vorgebbaren Kapazitätswert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Überschreitet die
Abweichung den Grenzwert, so wird eine Meldung über den Zustand des Sensors generiert. Ebenso ist es denkbar, eine Abweichung zweier ermittelter Werte für die Kapazität zu zwei verschiedenen Zeitpunkten miteinander zu vergleichen und im Falle einer Änderung der Kapazität mit der Zeit, insbesondere über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus, eine Meldung über den Zustand des Sensors zu generieren. Der vorgebbare Grenzwert kann beispielsweise ein Messwert für die Kapazität im voll funktionsfähigen Zustand des piezoelektrischen Elements, beispielsweise im Auslieferungszustand, sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können dabei unterschiedliche Zustandsindikatoren ermittelt werden. Einige beispielhafte, bevorzugte Ausführungen sind in den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen wiedergegeben.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine, insbesondere mögliche, Schädigung, bzw. einen Defekt, des zumindest einen piezoelektrischen Elements. Es kann sich einerseits um eine Schädigung mit mechanischer Ursache handelt. Ebenso kann es sich aber um eine temperaturbedingte Schädigung, oder um eine
Schädigung aufgrund einer Alterung des piezoelektrischen Elements handeln.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Kapazität als Funktion der Temperatur ermittelt wird. Die Kapazität des piezoelektrischen Elements ist, wie bereits erwähnt, eine Funktion der Temperatur. Indem die Kapazität als Funktion der Temperatur ermittelt wird, kann auf eine zumindest teilweise permanente Depolarisierung des piezoelektrischen Elements beispielsweise aufgrund zumindest zeitweise zu hoher Betriebstemperaturen und/oder Alterung geschlossen werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein Schwellenwert für die Kapazität und/oder ein Grenzwert für die Temperatur jeweils des zumindest einen piezoelektrischen Elements ermittelt wird, ab welchem Schwellenwert und/oder Grenzwert eine Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements festgestellt wird. Der Grenzwert der Temperatur wird
insbesondere derart gewählt, dass er unterhalb der Curie-Temperatur liegt. Der Schwellenwert für die Kapazität wird wiederum bevorzugt derart gewählt, dass es sich bei dem Schwellenwert um die Kapazität des piezoelektrischen Elements bei dem Grenzwert für die Temperatur handelt.
In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der erste vorgebbare Kapazitätswert derart gewählt wird, dass er dem Schwellenwert entspricht.
Es ist ebenso von Vorteil, wenn im Falle des Erreichens eines zweiten vorgebbaren Kapazitätswerts eine Warnung über eine potentielle Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements ausgegeben wird, wobei der zweite vorgebbare Kapazitätswerts derart gewählt wird, dass er unterhalb des Schwellenwerts liegt. Die Kapazität wird also zusätzlich mit einem zweiten vorgebbaren Kapazitätswert verglichen, welcher insbesondere kleiner als der erste vorgebbare Kapazitätswert ist. Beispielsweise kann auf diese Weise ein Temperatur-Grenzbereich für die Verwendung der Vorrichtung definiert werden. Zwischen dem ersten und zweiten vorgebbaren Kapazitätswert kann die Vorrichtung zwar zumindest noch zeitweise betrieben werden, eine Schädigung, beispielsweise bedingt durch die Verwendung der Vorrichtung bei einer hohen
Temperatur, insbesondere einer Temperatur nahe der Curie-Temperatur, kann aber nicht mehr vollständig ausgeschlossen werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Temperatur der Vorrichtung und/oder des Mediums ermittelt. Es kann dann beispielsweise angenommen werden, dass die Temperatur des Mediums und/oder der Vorrichtung der Temperatur des piezoelektrischen Elements entspricht.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Temperatur anhand der ermittelten Kapazität bestimmt wird. Dies kann beispielsweise anhand einer Referenzkurve geschehen, in welcher die Kapazität als Funktion der Temperatur dargestellt ist. Die Referenzkurve kann dabei beispielsweise in einer Elektronik der Vorrichtung beispielsweise hinterlegt sein.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Temperatur mittels eines Temperatursensors gemessen wird. Der Temperatursensor kann in einem separaten Messgerät integriert, oder Teil der Vorrichtung sein.
Eine Ausgestaltung beinhaltet ferner, dass die Temperatur mittels des Temperatursensors gemessen und anhand der ermittelten Kapazität bestimmt wird, wobei die mittels des
Temperatursensors gemessene Temperatur mit der anhand der Kapazität bestimmten Temperatur verglichen wird.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn im Falle einer Abweichung zwischen der mittels des
Temperatursensors gemessenen Temperatur mit der anhand der Kapazität bestimmten Temperatur über einen vorgebbaren Temperatur-Grenzwert hinaus eine Meldung, insbesondere über den Zustand des Temperatursensors, ausgegeben wird. Es kann also mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch ein weiterer Temperatursensor überwacht werden, oder es kann eine gegenseitige Überwachung des Temperatursensors und der Vorrichtung vorgenommen werden.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine Alterung des zumindest einen piezoelektrischen Elements.
In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine Polarisation des zumindest einen piezoelektrischen Elements. Noch eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Meldung über den Zustand erst nach einem vorgebbaren Zeitintervall ausgegeben wird, welches anhand der Kapazität und/oder Temperatur bestimmt wird. Im Falle, dass es beispielsweise vorgesehen ist, den Sensor bei hohen
Temperaturen einzusetzen, ist eine Überwachung des Zustands des piezoelektrischen Elements besonders wichtig. Um eine schleichend eintretende Schädigung zu vermeiden, sollte eine Zeitdauer für den Betrieb in Abhängigkeit der gemessenen Kapazität begrenzt werden. Beispielsweise kann ein derartiges Vorgehen in Zusammenhang mit der Angabe des zweiten vorgebbaren Grenzwertes sinnvoll sein. In diesem Falle wird das Betreiben der Vorrichtung insbesondere in einem
Grenzbereich zwischen dem ersten und zweiten vorgebbaren Grenzwert bzw. den diesen
Grenzwerten entsprechenden Temperaturen zeitlich begrenzt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur
Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element, welche Vorrichtung zur Durchführung zumindest eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur der Vorrichtung und/oder des Mediums.
Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren Fig. 1 - Fig. 2 näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors, und
Fig. 2: ein schematisches Diagramm der Polarisation eines piezoelektrischen Elements in
Abhängigkeit der Temperatur.
In Fig. 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch
schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche zumindest teilweise und/oder zeitweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 3 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 mit zumindest einem piezoelektrischen Element zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ist üblicherweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der mechanisch schwingfähige Einheit 4 verbunden, beispielsweise ist sie auf die schwingfähige Einheit 4 aufgeklebt. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs- /Empfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in Fig. 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die
Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
Die schwingfähige Einheit 4 wird über die Antriebs-/Empfangseinheit 5 mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 über die Antriebs-/Empfangseinheit 3 in Form eines elektrischen Empfangssignals empfangen und im Hinblick auf die jeweilige Prozessgröße ausgewertet. Dies geschieht in einer geeignet ausgestalteten Elektronikeinheit 6. Das
Schwingungsverhalten der schwingfähigen Einheit 4, und damit einhergehend die Messgenauigkeit der Vorrichtung, hängen entscheidend von der Güte der elektromechanischen Wandlung der Antriebs-/Empfangseinheit 5 ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es nun, eine Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors 1 durchzuführen. Dabei kann eine Schädigung des piezoelektrischen Elements erkannt werden. Beispielsweise kann eine Polarisation oder Alterung des piezoelektrischen Elements überwacht werden.
Erfindungsgemäß wird die Kapazität C des piezoelektrischen Elements bestimmt und mit einem ersten vorgebbaren Kapazitätswert Cref,i verglichen. Aus dem Vergleich wird dann ein
Zustandsindikator ermittelt und eine Meldung über den Zustand ausgegeben. Die Meldung kann einerseits kontinuierlich zu jedem Zeitpunkt, zu dem das Verfahren durchgeführt wird, ausgegeben werden, oder nur in dem Fall, dass anhand des Vergleichs eine Schädigung des piezoelektrischen Elements tatsächlich auftritt.
Eine Änderung der Kapazität C kann beispielsweise durch eine Alterung des piezoelektrischen Elements bedingt sein. Wie bereits erwähnt, beschreibt die Alterung das Bestreben des
piezoelektrischen Elements, seinen natürlichen, unverformten Gitterzustand wiederherzustellen.
Dies äußert sich in einer kontinuierlichen Abnahme der remanenten Polarisation des Elements.
Eine weitere Ursache für eine mögliche Schädigung des piezoelektrischen Elements besteht in der Verwendung des Elements bei hohen Temperaturen. Beim Überschreiten der Curie-Temperatur Tc findet eine vollständige Depolarisation des piezoelektrischen Elements statt. Aber auch bereits bei Temperaturen T unterhalb der Curie-Temperatur Tc kann es zu einer teilweise permanenten Depolarisation des piezoelektrischen Elements kommen.
Je nachdem, ob eine Änderung der ermittelten Kapazität C gegenüber dem ersten vorgebbaren Grenzwert Cref.i auf eine Temperaturänderung, insbesondere auf das Überschreiten einer bestimmten vorgebbaren Temperatur T zurückzuführen ist oder nicht, kann ferner unterschieden werden, ob eine Schädigung beispielsweise durch eine Alterung oder durch eine zu hohe
Temperatur hervorgerufen worden ist.
Die Kapazität C eines piezoelektrischen Elements ist grundsätzlich von der Temperatur T abhängig. Ein schematischer Verlauf der Kapazität C als Funktion der Temperatur T ist in Fig. 2 dargestellt. Bei niedrigen Temperaturen T (hier bis ca. 200°C) steigt die Kapazität C im Wesentlichen linear mit der Temperatur T an. In diesem Bereich erfolgen Polarisation und Depolarisation des piezoelektrischen Elements aufgrund des piezoelektrischen Effekts im Wesentlichen reversibel (gestrichelte Linie).
Eine temperaturbedingte Schädigung des piezoelektrischen Elements ist in der Regel
auszuschließen.
Bei höheren Temperaturen (T>200°C) dagegen tritt bereits zunehmen eine teilweise permanente Depolarisation auf, welche unter anderem vom jeweils verwendeten Material des piezoelektrischen Elements abhängt. Diese Depolarisation führt zu einer verringerten Effektivität, bzw. Güte, der elektromechanischen Wandlung des piezoelektrischen Elements und damit einhergehend zu einer Verschlechterung des Schwingungsverhaltens und der Messgenauigkeit des Sensors 1. Ein dauerhafter Betrieb im irreversiblen Bereich sollte vermieden, oder zeitlich begrenzt werden.
Je nach Anwendung kann ein Schwellenwert für die Kapazität Cs und/oder ein Grenzwert für die Temperatur TG jeweils des zumindest einen piezoelektrischen Elements ermittelt wird, ab welchem Schwellenwert Cs und/oder Grenzwert TG eine Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements festgestellt wird. Dieser kann, wie im Falle der Fig. 2, in einem Übergangsbereich zwischen einem reversiblen Bereich, in welchem die Kapazität C linear mit der Temperatur T steigt, und einem irreversiblen Bereich, in welchem die Kapazität C nicht linear mit der Temperatur steigt, liegen. Er kann aber auch in einem dieser beiden Bereiche liegen. Jedoch sollte der Grenzwert nicht zu nahe an der Kapazität entsprechend der Curie-Temperatur Tc liegen, bei welcher eine vollständige Depolarisation eintritt.
Der erste vongebbare Kapazitätswert Cref,i ist für die hier gezeigte Ausgestaltung denn so gewählt, dass er dem Schwellenwert Cs entspricht. In Fig. 2 nicht eingezeichnet ist ein optional festlegbarer zweiter vorgebbarer Grenzwert Cref,2 für die Kapazität, bei dessen Erreichen eine Meldung über eine potentielle Schädigung ausgegeben werden kann. Üblicherweise wird der zweite vorgebbare Grenzwert Cref,2 derart gewählt, dass er kleiner als der erste vorgebbare Grenzwert Cref,i für die Kapazität ist.
Bezugszeichenliste
1 Vibronischer Sensor
2 Medium
3 Behältnis
4 Schwingfähige Einheit
5 Antriebs-/Empfangseinheit
6 Elektronikeinheit
AA Amplitude des Anregesignal
AE Amplitude des Empfangssignals
C Kapazität
Cref,1 , Cref,2 erster, zweiter vorgebbarer Grenzwert für die Kapazität
Cs Schwellenwert für die Kapazität
T Temperatur
Tc Curie-Temperatur
TG Grenzwert für die Temperatur

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung und/oder
Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit (5) mit zumindest einem piezoelektrischen Element, umfassend folgende Verfahrensschritte:
Bestimmen einer Kapazität (C) des piezoelektrischen Elements
Vergleichen der Kapazität (C) mit einem ersten vorgebbaren Kapazitätswert (Cref,i ),
Ermitteln eines Zustandsindikators aus dem Vergleich, und
Ausgeben einer Meldung über den Zustand.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine, insbesondere mögliche, Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Kapazität (C) als Funktion der Temperatur (T) ermittelt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei ein Schwellenwert für die Kapazität (Cs) und/oder ein Grenzwert für die Temperatur (TG) jeweils des zumindest einen piezoelektrischen Elements ermittelt wird, ab welchem Schwellenwert (Cs) und/oder Grenzwert (TG) eine Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements festgestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
wobei der erste vorgebbare Kapazitätswert (Cref,i ) derart gewählt wird, dass er dem
Schwellenwert (Cs) entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
wobei im Falle des Erreichens eines zweiten vorgebbaren Kapazitätswerts (Cref,2) eine Warnung über eine potentielle Schädigung des zumindest einen piezoelektrischen Elements ausgegeben wird, und wobei der zweite vorgebbaren Kapazitätswert (Cref,2) derart gewählt wird, dass er unterhalb des Schwellenwerts (Cs) liegt.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei eine Temperatur (T) der Vorrichtung (1 ) und/oder des Mediums (2) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
wobei die Temperatur (T) anhand der ermittelten Kapazität (C) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
wobei die Temperatur (T) mittels eines Temperatursensors, gemessen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9,
wobei die Temperatur (T) mittels des Temperatursensors gemessen und anhand der ermittelten Kapazität (C) bestimmt wird, und wobei die mittels des Temperatursensors gemessene Temperatur (T) mit der anhand der Kapazität (C) bestimmten Temperatur (T) verglichen wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10,
wobei im Falle einer Abweichung zwischen der mittels des Temperatursensors gemessene Temperatur (T) mit der anhand der Kapazität (C) bestimmten Temperatur (T) über einen vorgebbaren Temperatur-Grenzwert hinaus eine Meldung, insbesondere über den Zustand des Temperatursensors, ausgegeben wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine Alterung des zumindest einen piezoelektrischen Elements handelt.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über eine Polarisation des zumindest einen piezoelektrischen Elements handelt.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Meldung über den Zustand erst nach einem vorgebbaren Zeitintervall ausgegeben wird, welches anhand der Kapazität (C) und/oder Temperatur (T) bestimmt wird.
15. Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und zumindest einer Antriebs-/Empfangseinheit (5) mit zumindest einem piezoelektrischen Element, welche Vorrichtung (1 ) zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche ausgestaltet ist.
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