DE102005044725A1

DE102005044725A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter

Info

Publication number: DE102005044725A1
Application number: DE200510044725
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin; Volker Dreyer; Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2005-09-19
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: DE102005044725B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums (12), mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche zumindest mit einem schwingfähigen Bestandteil (5, 6) zumindest teilweise mit dem Medium (12) in Kontakt kommt, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) eine erste Membran (5) als einen schwingfähigen Bestandteil (5, 6) aufweist, und mit einer Antriebs-/Empfangseinheit (2), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen empfängt. Die Erfindung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) eine zweite Membran (6) als schwingfähigen Bestandteil (5, 6) aufweist, dass die erste Membran (5) und die zweite Membran (6) mechanisch miteinander gekoppelt sind, und dass als schwingfähiger Bestandteil oder als schwingfähige Bestandteile der schwingfähigen Einheit (1) nur die erste Membran (5) oder nur die erste Membran (5) und die zweite Membran (6) in Kontakt mit dem Medium (12) kommt/kommen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche zumindest mit einem schwingfähigen Bestandteil zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt kommt, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens eine erste Membran als einen schwingfähigen Bestandteil aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität oder den Druck des Mediums. Dabei ist das Medium z.B. eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut. Die Messvorrichtung kann eine oder auch mehrere Prozessgrößen bestimmen bzw. überwachen.

Im Stand der Technik sind zur Bestimmung des Füllstands und weiterer Prozessgrößen eines Mediums so genannte Schwinggabeln und Einstäbe bekannt. Ausgenutzt wird jeweils, dass die Kenngrößen der Schwingungen (Amplitude, Frequenz, Phase) der schwingfähigen Einheit vom Medium bzw. auch von dessen Eigenschaften abhängen. So nimmt beispielsweise die Frequenz der Schwingungen ab, wenn das Medium die schwingfähige Einheit erreicht und zumindest teilweise bedeckt. Daher lässt sich aus der Abnahme der Schwingungsfrequenz darauf schließen, dass das Medium einen von der Ausgestaltung und der Position der Anbringung der Vorrichtung abhängigen Füllstand erreicht hat. Weiterhin sind die Schwingungen auch beispielsweise von der Viskosität und der Dichte des Mediums abhängig.

Wichtig bei mechanisch schwingfähigen Systemen ist im Allgemeinen, dass keine Schwingungsenergie, z.B. über eine Ankopplung mit dem Behälter verloren geht. Ein Energieverlust ist üblicherweise mit einem Verlust an Messgenauigkeit verbunden. Gleichzeitig kann der Energieverlust selten durch eine höhere Antriebsleistung wettgemacht werden, da die beschriebenen Messgeräte, welche meist als Schalter eingesetzt werden, üblicherweise mit einer geringen und begrenzten Energieversorgung betrieben werden. Daher ist eine Entkopplung erforderlich.

Für möglichst präzise Messungen ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die wirksame Fläche der mechanisch schwingfähigen Einheit, d.h. die Fläche, welche in Kontakt mit dem Medium kommt, möglichst groß ist. Dem steht jedoch die Problematik gegenüber, dass die schwingfähige Einheit vorzugsweise durch möglichst kleine Bohrungen von hinten in die Behälter eingebracht werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein auf der Vibronik beruhendes Messgerät vorzuschlagen, dessen schwingfähige Einheit möglichst gut entkoppelt ist und welches sich auch für den Einbau bei kleinen Anschlüssen ohne Verlust der Messgenauigkeit eignet.

Die Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens eine zweite Membran als schwingfähigen Bestandteil aufweist, dass die erste Membran und die zweite Membran mechanisch miteinander gekoppelt sind, und dass als schwingfähiges Bestandteil oder als schwingfähige Bestandteile der schwingfähigen Einheit nur die erste Membran oder nur die erste Membran und die zweite Membran in Kontakt mit dem Medium kommt/kommen. Bei im Stand der Technik bekannten Einstäben und Schwinggabeln besteht die mechanisch schwingfähige Einheit üblicherweise aus einer Schwingeinheit oder zwei Schwingeinheiten, die ggf. mit einer Membran verbunden sind. Im erfindungsgemäßen Messgerät treten nur eine Membran bzw. nur zwei Membranen in Kontakt mit dem Medium, d.h. die Wechselwirkung zwischen schwingfähiger Einheit und Medium ereignet sich nur über Membran/en. Daher lässt sich das erfindungsgemäße Messgerät durchaus als Membranschwinger bezeichnen. Ein solcher erfindungsgemäßer Membranschwinger erlaubt einen Betrieb als Multifunktionssensor für Flüssigkeiten oder Schüttgüter in Bezug auf Prozessgrößen wie Füllstand, Dichte, Viskosität, Druck oder Temperatur.

Die beiden Membranen, welche vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind, führen zu einer gegenseitigen Entkopplung, so dass sich ein energetisch sauber schwingendes Messsystem ergibt. Eine geringe Membrandicke der dem Medium zugewandten Membran macht es je nach dem Anwendungsbereich im Prozess erforderlich, ein Anschlagbett hinter der Prozessmembran anzuordnen. Die dem Prozess zugewandte Membran bzw. die mit dem Medium in Kontakt kommenden Membranen kann/können auch der Druckmessung dienen. Da die Druckmessung unabhängig vom Schwinger arbeitet, wäre dies gleichzeitig zur Füllstandmessung möglich. Wie bei allen Schwingungssystemen in der Messtechnik ist darauf zu achten, dass keine oder nur geringe Kopplung zum Behälter besteht. Stark gekoppelte Schwinger geben Schwingungsenergie an den Behälter ab und antworten mit einer geringeren Schwingungsamplitude. Es ist denkbar, dass die Schwingung vollkommen abreißt, was während der Messung zu verheerenden Folgen führen kann. Demnach ist bei allen Schwingern zu fragen, ob sie auch in einem energetisch geschlossenen Zustand arbeiten. Im Falle des erfindungsgemäßen Membranschwingers ist die bewegende Membrane vollkommen mit dem Behälter gekoppelt, da sich zu jedem Zeitpunkt der Schwingung die Membrane am Einschraubstück/Behälteranschluss abstützt und dadurch mit dem Behälter in Kontakt steht. Eine Entkopplung ist über die zweite Membran realisierbar, wobei beide Membranen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und vorzugsweise über ein zylindrisches Rohrstück miteinander gekoppelt sind. Die Membranen und die mechanische Kopplung sind dabei so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass die Membranen im Resonanzfall gegenphasig schwingen. Ein solche Schwingungssystem arbeitet als energetisch geschlossenes System mit ca. 1074 Hz, solange es von außen nicht gestört wird. Dies bedeutet, wenn der Schwinger in Flüssigkeit eingetaucht wird, steht nur die obere Membrane mit dieser in Berührung, während die innere Membrane frei bleibt. Beide Membranen sind somit nicht mehr aufeinander abgestimmt und schwingen nicht mehr gemeinsam. Dies gilt für den Fall, dass nur die erste Membran mit dem Medium in Kontakt kommt. Entsprechendes gilt für die Variante, dass beide Membranen mit dem Medium in Kontakt kommen. Bei dieser Ausgestaltung tritt beispielsweise zuerst der Zustand auf, dass eine Membran bedeckt wird, so dass sich eine Verstimmung ergibt. Anschließend sind beide Membranen bedeckt und der Messeffekt zeigt sich in einer deutlichen Reduktion der Schwingungsfrequenz bzw. der Schwingungsamplitude und auch in einer geänderten Phase des Antwortsignals der schwingfähigen Einheit. Diese Variante mit beiden Membranen in Mediumskontakt erlaubt somit eine weitere Differenzierung des Füllstands bzw. anderer zu messender Prozessgrößen. Für die zusätzliche Temperaturmessung bietet sich an, im Membranbereich beispielsweise einen PT100 als Temperatursensor unterzubringen, der aufgrund der relativ dünnen Membrane ein schnelles Messergebnis liefern kann.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein erstes Gewichtselement vorgesehen ist, welches mit der ersten Membran derartig mechanisch gekoppelt ist, dass mindestens eine Eigenschaft der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit zumindest teilweise von der Ausgestaltung des ersten Gewichtselements abhängt. Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein zweites Gewichtselement vorgesehen ist, welches mit der zweiten Membran derartig mechanisch gekoppelt ist, dass mindestens eine Eigenschaft der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Ausgestaltung des zweiten Gewichtselements abhängt. Die Aufgabe des Gewichtselements oder der Gewichtselemente besteht darin, die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit herabzusetzen. Um einen möglichst hohen Messeffekt zu erzielen, sollten die Gewichtselemente möglichst klein und die Membran bzw. die Membranen möglichst dünn sein. Zu dicke Membranen erhöhen die Schwingfrequenz. Aufgrund der hohen Arbeitsfrequenz würde ein solcher Schwinger in ausgehenden Flüssigkeiten nicht mehr funktionieren, da sich über längere Zeit hinweg auf der Oberfläche der Membran Gasblasen festsetzen und dadurch die Schwingfrequenz wieder ansteigt, was einer Nichtbedeckung der Membrane mit Fluid gleichkommt. Der Schwinger würde in diesem Zustand eine Fehlschaltung liefern. Daher sollte die Schwingfrequenz möglichst unterhalb 1400 Hz liegen, um eine breitbandige Anwendung zu erreichen. Da zu groß gestaltete Gewichtselemente den Messeffekt verringern, ist die Membrandicke beispielsweise auf 0,2 mm reduziert (dies immer für ein G 1'' Einschraubstück).

Eine damit verbundene Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Gewichtselement und/oder das zweite Gewichtselement frei von Kontakt mit dem Medium angebracht sind/ist. Wie bereits weiter oben angemerkt, besteht die Besonderheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung darin, dass nur Membran/-en in Kontakt mit dem Medium kommt/kommen. Daher sind die Gewichtselemente beispielsweise auf der Innenseite der Membran bzw. der Membranen fixiert.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die erste Membran und die zweite Membran durch mindestens ein Verbindungselement miteinander verbunden sind. Es handelt sich um ein Kopplungselement, welche die mechanische Kopplung zwischen den beiden Membranen realisiert.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Membran und die zweite Membran im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sind. Dies ist für die anzuregenden Schwingungsmoden eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung.

Damit verbunden ist die Ausgestaltung, dass das Verbindungselement im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist. Damit ergibt sich also für die mechanisch schwingfähige Einheit eine Ausgestaltung ähnlich einer an beiden Enden abgeschlossenen Trommel oder Röhre.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer Messung mit dem erfindungsgemäßen Messgerät,
2: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts, und
3: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts.
In der 1 ist ein Messaufbau schematisch und insbesondere nicht maßstabsgenau dargestellt. Mindestens eine Prozessgröße des Mediums 12 in dem Behälter 4 wird durch das erfindungsgemäße Messgerät bestimmt bzw. überwacht. Vom Messgerät sind hier die mechanisch schwingfähige Einheit 1, der Behälteranschluss 3 und eine Steuer-/Auswerteeinheit 13 dargestellt. In der Steuer-/Auswerteeinheit 13 sind alle Bauteile und Bestandteile zusammengefasst, welche zur Erzeugung bzw. Auswertung der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 erforderlich sind. In einer Ausgestaltung wird die Antriebs-/Empfangseinheit 2 – siehe 2 – mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt. Handelt es sich bei der Antriebs-/Empfangseinheit 2 um ein piezoelektrisches Element, so wird dieses Wechselspannungssignal in eine mechanische Schwingung übertragen, welche die mechanisch schwingfähige Einheit 1 zu mechanischen Schwingungen anregt. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen von der Antriebs-/Empfangseinheit 2 empfangen und in ein entsprechendes Antwort-Wechselspannungssignal übertragen. Die charakteristischen Größen der Schwingungen – wie Frequenz, Amplitude und Phase relativ zum anregenden Signal – hängen u.a. vom Medium 12 ab. Erreicht das Medium 12 den Füllstand, welcher durch die Einbauposition der Messvorrichtung und deren Ausgestaltung gegeben ist, so nimmt zumindest die Frequenz der Schwingungen ab, weil es zu einer mechanischen Kopplung zwischen Medium 12 und mechanisch schwingfähiger Einheit 1 kommt. Daher kann aus einer Abnahme der Frequenz auf ein Erreichen des Füllstandes geschlossen werden, bzw. im umgekehrten Fall bedeutet eine Erhöhung der Frequenz, dass das Medium 12 den Füllstand unterschritten hat. Ist die mechanisch schwingfähige Einheit 1 zumindest teilweise vom Medium 12 bedeckt, so lassen die Schwingungen auch Rückschlüsse auf weiteren Prozessgrößen – z.B. Dichte oder Viskosität – des Mediums 12 zu, welche sich ebenfalls z.B. auf Frequenz und Phase auswirken. Überdies lässt sich das erfindungsgemäße Messgerät aufgrund der speziellen Ausgestaltung der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 auch als Drucksensor verwenden. Weiterhin erlaubt die Ausgestaltung beispielsweise auch die Anbringung eines Temperatursensors an der Innenseite einer mediumsberührenden Membran.
In der 2 ist der wesentliche Teil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer ersten Variante detaillierter dargestellt. Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 besteht aus einer ersten, dem Medium zugewandten Membran 5 und einer dazu im Wesentlichen parallel angeordneten zweiten, vom Medium abgewandten Membran 6. Beide Membranen sind über ein Verbindungselement 10 miteinander mechanisch gekoppelt, d.h. es werden zwischen beiden Membranen Schwingungsenergie und Schwingungsmomente übertragen. Dadurch handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 um ein in sich abgeschlossenes Schwingungssystem, welches gegenüber der Umwelt, d.h. insbesondere gegenüber dem Anschluss an dem Behälter 4 entkoppelt ist. Somit kann also im Allgemeinen keine oder nur kaum Schwingungsenergie verloren gehen. Beide Membranen 5, 6 sind im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet und weisen eine möglichst geringe Dicke auf. Eigentlich wären möglichst dicke Membranen erwünscht. Dies kollidiert jedoch mit der Erfordernis, eine Schwingfrequenz von kleiner 1400 Hz zu erhalten. Die zweite Membran 6 wird durch die an ihr befestigte Antriebs-/Empfangseinheit 2, welche beispielsweise den oben erwähnten piezo-elektrischen Effekt ausnutzt, zu Schwingungen angeregt, die durch das Verbindungselement 10 als mechanischer Koppler auf die erste Membran 5 übertragen werden. An jeder der beiden Membranen 5, 6 ist jeweils ein Gewichtselement 9.1, 9.2 angebracht. Diese Gewichtelemente 9.1, 9.2 setzen lediglich die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 herab. Eine zu hohe Eigenfrequenz sollte für eine breitbandige Anwendung verhindert werden, da sich sonst beispielsweise Gasblasen in einem flüssigen Medium 12 bilden können. Die beiden Gewichte 9.1, 9.2 sind hier durch einen kleinen Absatz leicht von der jeweiligen Membran 5, 6 abgesetzt, um die Schwingungen der Membranen 5, 6 möglichst nicht zu stören. Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ist an einem Behälteranschluss 3 bzw. einem Einschraubstück befestigt, über welches die Befestigung an der Behälterwandung stattfindet. Die Besonderheit des „Membranschwingers" besteht nun darin, dass als schwingfähige Bestandteile der schwingfähigen Einheit 1 nur die erste Membran 5 bzw. genauer nur eine Außenseite 7 der Membran 5 in Kontakt mit dem Medium 12 kommt, d.h. es fehlen die bei Einstäben oder Schwinggabeln bekannten Schwingeinheiten, deren Wechselwirkung mit dem Medium dort für den Messeffekt sorgen. In der vorliegenden erfindungsgemäßen Messvorrichtung wechselwirkt hier nur eine Membran – bzw. wie in der folgenden Variante dargestellt, zwei Membranen – mit dem Medium.
In der 3 ist eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gezeigt. In dieser Ausgestaltung ist die mechanisch schwingfähige Einheit 1 an einem Befestigungselement 11, welches hier stabförmig, bzw. für die Unterbringung von elektrischen Verbindungskabeln hohlstabförmig ausgeführt ist, angebracht. Das Befestigungselement 11 ist wiederum an dem Behälteranschluss 3 und dem Verbindungselement 10 angebracht. Das Verbindungselement 10 führt keine Schwingungen durch. Damit kommen jetzt die Außenseite 7 der ersten Membran 5 und die Außenseite 8 der zweiten Membran 6 in Kontakt mit dem Medium 12. Die Antriebs-/Empfangseinheit 2 ist daher auch an der Innenseite einer Membran oder an den Innenseiten beider Membranen 5, 6 angebracht. Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 besteht in dieser Ausgestaltung somit aus zwei Membranen 5,6, welche im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Beide sind durch ein Verbindungselement 10 miteinander verbunden, welches selbst ist in der hier gezeigten Ausgestaltung zylindrisch ausgeführt, passend zu den hier im Wesentlichen kreisförmigen Membranen. Das Verbindungselement 10 selbst ist hier über ein stabförmiges Befestigungselement 11 an dem Behälter 4 angebracht. Von der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 schwingen im Wesentlichen nur die beiden Membranen 5, 6 und ermöglichen somit die Überwachung bzw. Bestimmung der Prozessgröße, z.B. Füllstand, Dichte, Viskosität oder als Membranen eben auch den herrschenden Druck im Medium 12 oder oberhalb des Mediums 12.

1: Mechanisch schwingfähige Einheit
2: Antriebs-/Empfangseinheit
3: Behälteranschluss
4: Behälter
5: Erste Membran
6: Zweite Membran
7: Außenseite der ersten Membran
8: Außenseite der zweiten Membran
9.1: Erstes Gewichtselement
9.2: Zweites Gewichtselement
10: Verbindungselement
11: Befestigungselement
12: Medium
13: Steuer-/Auswerteeinheit

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (12) in einem Behälter (4), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche zumindest mit einem schwingfähigen Bestandteil (5, 6) zumindest teilweise mit dem Medium (12) in Kontakt kommt, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens eine erste Membran (5) als einen schwingfähigen Bestandteil (5, 6) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (2), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens eine zweite Membran (6) als schwingfähigen Bestandteil (5, 6) aufweist, dass die erste Membran (5) und die zweite Membran (6) mechanisch miteinander gekoppelt sind, und dass als schwingfähiges Bestandteil oder als schwingfähige Bestandteile der schwingfähigen Einheit (1) nur die erste Membran (5) oder nur die erste Membran (5) und die zweite Membran (6) in Kontakt mit dem Medium (12) kommt/kommen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Gewichtselement (9.1) vorgesehen ist, welches mit der ersten Membran (5) derartig mechanisch gekoppelt ist, dass mindestens eine Eigenschaft der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) zumindest teilweise von der Ausgestaltung des ersten Gewichtselements (9.1) abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Gewichtselement (9.2) vorgesehen ist, welches mit der zweiten Membran (6) derartig mechanisch gekoppelt ist, dass mindestens eine Eigenschaft der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) von der Ausgestaltung des zweiten Gewichtselements (9.2) abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gewichtselement (9.1) und/oder das zweite Gewichtselement (9.2) frei von Kontakt mit dem Medium (12) angebracht sind/ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (5) und die zweite Membran (6) durch mindestens ein Verbindungselement (10) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (5) und die zweite Membran (6) im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10) im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist.