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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens
einer mechanisch schwingfähigen Einheit, mit mindestens einer
Antriebs-/Empfangseinheit, welche ausgehend von einem Anregungssignal
die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen
anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit
mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignal
umwandelt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit, welche das
Anregungssignal erzeugt und welche das Empfangssignal verarbeit,
wobei die Antriebs-/Empfangseinheit und die Elektronikeinheit mindestens
durch einen Sendekanal und einen Empfangskanal miteinander verbunden
sind, wobei der Sendekanal der Übertragung des Anregungssignals
und der Empfangskanal der Übertragung des Empfangssignals
dient.
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Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Testen einer Vorrichtung
zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße,
wobei die Vorrichtung mindestens eine mechanisch schwingfähige
Einheit aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens eine Antriebs-/Empfangseinheit
aufweist, welche ausgehend von einem Anregungssignal die mechanisch
schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt
und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische
Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt,
und wobei die Vorrichtung mindestens eine Elektronikeinheit aufweist,
welche das Anregungssignal erzeugt und welche das Empfangssignal
verarbeitet, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit und die Elektronikeinheit derartig
ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich mindestens
ein Sendekanal und ein Empfangskanal ergeben, wobei der Sendekanal
der Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen
und der Empfangskanal dem Empfangen der mechanischen Schwingungen
der mechanisch schwingfähige Einheit dient.
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Bei
der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise
um Füllstand, Dichte oder Viskosität eines Mediums,
welches beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Schüttgut
oder allgemein ein Fluid ist. Das Medium befindet sich dabei beispielsweise
in einem Behälter.
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Im
Stand der Technik sind zur Bestimmung des Füllstands und
weiterer Prozessgrößen eines Mediums so genannte
Schwinggabeln (z. B.
EP
0 444 173 B1 ), Einstäbe (
WO 2004/094964 A1 ) oder auch
Membranschwinger bekannt. Ausgenutzt wird bei den Messungen mit
diesen Vorrichtungen jeweils, dass die Kenngrößen
der mechanischen Schwingungen (Schwingungsamplitude, Resonanzfrequenz, Phasengang über
Frequenz) der schwingfähigen Einheit vom Kontakt mit dem
Medium bzw. auch von dessen Eigenschaften abhängen. So
nimmt beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen
ab, wenn das Medium die schwingfähige Einheit erreicht
und zumindest teilweise bedeckt. Daher lässt sich aus der
Abnahme der Schwingungsfrequenz bzw. der Amplitude darauf schließen, dass
das Medium einen von der Ausgestaltung und der Position der Anbringung
der Vorrichtung abhängigen Füllstand erreicht
hat. Weiterhin ist die Schwingungsfrequenz auch beispielsweise von
der Viskosität (siehe z. B.
EP
1 325 301 ) und der Dichte des Mediums abhängig.
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Zur
Anregung der jeweiligen mechanisch schwingfähigen Einheiten
werden oft piezoelektrische Elemente verwendet, welche umgekehrt
auch die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umwandeln.
Weiterhin ist für bestimmte Anwendungen auch eine elektromagnetische
Anregung der schwingfähigen Einheit möglich.
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Für
den sicheren Betrieb solcher Messgeräte ist es insbesondere
bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wichtig, die Funktionalität
der Messgeräte regelmäßig zu überprüfen.
Insbesondere sind Eigenprüfungen der Geräte sehr
beliebt. Ausfallmöglichkeiten bestehen beispielsweise darin,
dass die piezoelektrischen Elemente altem oder beispielsweise durch
einen Temperaturschock Schaden nehmen oder dass Kontaktierungen
sich mit der Zeit und unter den Prozessbedingungen auflösen
oder dass sich Kondensat im Messgerät bildet und eine leitende Brücke
entsteht.
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Eine
solche Funktionsüberprüfung wird beispielsweise
im Stand der Technik beschrieben in der Schrift
WO 2007/1 01 461 A1 .
Der dortige Grenzstandschalter weist zwei piezo-elektrische Schwingungseinrichtungen
auf, welche dem Erzeugen bzw. dem Empfangen der Schwingungen dienen.
Für das Testen des Grenzstandschalters werden die beiden piezo-elektrischen
Schwingungseinrichtungen parallel und in Reihe zu einer Kapazitäts-Messeinrichtung geschaltet.
Der Gesamt-Kapazitätswert der beiden parallel geschalteten
und somit als Kondensatoren aufgefassten piezo-elektrischen Schwingungseinrichtungen
wird ausgemessen und in einer Ausgestaltung mit einem Referenzkondensator
verglichen. Nachteilig ist daran, dass somit beispielsweise auf die
Temperaturabhängigkeit des Kapazitätswerts der piezo-elektrischen
Elemente nicht oder nur mit entsprechendem Aufwand eingegangen werden
kann. Überdies werden so beispielsweise Fehler oder Mängel
an den beiden Elementen, die sich bzgl. des Kapazitätswerts
gegenläufig auswirken, nicht erkannt. Weiterhin ist auch
die Einstellung des Referenzkondensators aufwendig und bei der Fertigung
mit erhöhten Kosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung bzw.
ein Verfahren vorzuschlagen, welche eine Funktionsüberprüfung
erlauben, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung
dadurch, dass mindestens eine Testeinheit vorgesehen ist, und dass
die Testeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie zumindest während
einer Testphase ein von einem Impedanzwert des Sendekanals abhängiges
Sendekanal-Testsignal und ein von einem Impedanzwert des Empfangskanals
abhängiges Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder
auswertet.
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Die
Vorrichtung ist dabei üblicherweise in der Lage, entweder
die Prozessgröße zu bestimmen oder sie reagiert
auf das Über- bzw. Unterschreiten eines entsprechenden
Grenzwertes. Im letzteren Fall handelt es sich dann um die sog.
Grenzstandschalter. Dies bezieht sich jedoch nicht nur auf den Füllstand,
sondern auch auf die anderen Prozessgrößen wie
Dichte oder Viskosität des Mediums. Mit der Vorrichtung
ist es dabei möglich, die Abweichung von einem bestehenden
Grenzwert anzuzeigen bzw. einen Messwert für die Prozessgröße
zu bestimmen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit eine
Testeinheit auf, welche während einer Testphase zumindest
zwei Testsignale auswertet: ein Sendekanal-Testsignal, welches abhängig
vom Impedanzwert des Sendekanals, und ein Empfangskanal-Testsignal,
welches abhängig vom Impedanzwert des Empfangskanals ist.
D. h. im Gegensatz zum Stand der Technik wird jeder Kanal einzeln
betrachtet. Dadurch ist auch ein direkter Vergleich der beiden Kanäle über
deren Impedanzwerte möglich. Haben beispielsweise die beiden
Kanäle, d. h. die jeweilige Kombination von Sende- und
Empfangselement mit den zugehörigen Leitungen und ggf.
vorhandenen Bauelementen, bekannte Verhältnisse der Impedanzen
zueinander, so können die beiden Kanäle gegenseitig
zur Referenzierung verwendet werden. Jeder Kanal umfasst dabei zumindest
die jeweiligen Leitungen zwischen Antriebs-/Empfangseinheit und
Elektronikeinheit und auch den jeweiligen Anteil der Antriebs-/Empfangseinheit,
welcher am jeweiligen Kanal funktional beteiligt ist. D. h. der
Sendekanal besteht zumindest aus den Leitungen, über welche
das Anregungssignal übertragen wird, und aus dem für das
Erregen der Schwingungen bzw. für das Umwandeln des Anregungssignals
in mechanische Schwingungen zuständigen Teils der Antriebs-/Empfangseinheit
oder mit anderen Worten: des Sendeteils der Antriebs-/Empfangseinheit.
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Jeder
Kanal weist dabei seinen eigenen Impedanzwert auf, bei welchem je
nach Ausgestaltung des Kanals bzw. der Antriebs-/Empfangseinheit
der kapazitive oder der induktive Anteil oder der ohmsche Widerstand
dominant ist.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die Testeinheit während der Testphase
das von einem Kapazitätswert des Sendekanals abhängige
Sendekanal-Testsignal und das von einem Kapazitätswert
des Empfangskanals abhängige Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder
auswertet, oder dass die Testeinheit während der Testphase
das von einem Induktivitätswert des Sendekanals abhängige
Sendekanal-Testsignal und das von einem Induktivitätswert
des Empfangskanals abhängige Empfangskanal-Testsignal verarbeitet
und/oder auswertet. Die Impedanz als komplexer Wechselstromwiderstand
ergibt sich aus der Kapazität, der Induktivität
und dem Ohmschen Widerstand des jeweiligen Kanals bzw. insbesondere
des dem jeweiligen Kanal zugeordneten Anteils der Antriebs-/Empfangseinheit
und der jeweiligen Leitungen. In dieser Ausgestaltung wird dabei
betont, dass je nach Ausgestaltung der Messvorrichtung bzw. der beiden
Kanäle der induktive oder der kapazitive Anteil der Impedanz
bestimmend ist.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die Testeinheit derartig ausgestaltet ist, dass
die Testeinheit zumindest ein Summensignal aus dem Sendekanal-Testsignal
und dem Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet,
und/oder dass die Testeinheit zumindest ein Differenzsignal zwischen
dem Sendekanal-Testsignal und dem Empfangskanal-Testsignal verarbeitet
und/oder auswertet. In dieser Variante werden somit die beiden Testsignale über
eine Subtrahierschaltung miteinander verglichen und über
eine Summierschaltung addiert und die Summe bzw. die Differenz wird
ausgewertet. Dies erlaubt eine effektive Feststellung, ob Abweichungen
vom Sollzustand vorhanden sind, indem beide Kanäle der
gegenseitigen Referenzierung dienen. Mit anderen Worten: Der Funktionstest
besteht in dieser Variante darin, dass die Signale bzw. die damit
verbundenen Impedanzen bzw. insbesondere die Kapazitäten
des Sende- und des Empfangskanals direkt miteinander verglichen
werden. Alternativ lassen sich die jeweiligen Signale der beiden
Kanäle einzeln auswerten. Die Differenz der beiden Signale
zeigt im Wesentlichen Änderungen auf, welche asymmetrisch
auf beide Kanäle wirken, wohingegen die Summe den Fall
signalisiert, dass beide Kanäle im Wesentlichen eine gleichartige Änderung
der Impedanzwerte erfahren haben.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die Testeinheit derartig ausgestaltet ist, dass
die Testeinheit im Fall einer Abweichung des Sendekanal-Testsignals
und/oder des Empfangskanal-Testsignals und/oder des Summensignals
und/oder des Differenzsignals von einem oder mehreren vorgebbaren
Grenzwerten über einen oder mehrere vorgebbare Toleranzbereiche
hinaus einen Alarm erzeugt. In dieser Ausgestaltung ist somit vorgesehen,
dass entweder die einzelnen Signale oder die Summen- bzw. Differenzsignale
oder eine Kombination aus diesen Signalen mit passend vorgebbaren
Grenzwerten verglichen werden und dass bei Abweichungen über
jeweilige Toleranzwerte hinaus ein Alarm erzeugt wird, wobei dieser
Alarm ein entsprechender Hinweis auf einen Fehlerzustand bzw. auf
eine Abweichung vom zu erwartenden Sollwert darstellt. Wird das
Differenzsignal ausgewertet, so ist der zu erwartende Grenzwert
beispielsweise Null bei identischer Ausgestaltung der beiden Kanäle in
Hinsicht auf ihre elektrischen Eigenschaften.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein Sendeelement
und ein Empfangselement aufweist, wobei das Sendeelement der Anregung
der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen
dient, und wobei das Empfangselement dem Empfangen der mechanischen
Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit
dient. Das Sende- und das Empfangselement sind beispielsweise zwei
piezo-elektrische Elemente, welche in einem Stapel übereinander,
d. h. in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. In einer weiteren
Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sende- und dem Empfangselement
um zwei planar in einer Ebene angeordnete piezo-elektrische Elemente. Das
Sende- und das Empfangselement sind dabei jeweils Bestandteil des
zugehörigen Sende- bzw. Empfangskanals.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mit mindestens einer
ersten Leitung, einer zweiten Leitung und einer dritten Leitung
kontaktiert ist. Die Verbindung zwischen Antriebs-/Empfangseinheit
und Elektronikeinheit besteht somit zumindest aus drei Leitungen.
In einer Ausgestaltung ist eine der drei Leitungen während
der Messphasen mit Masse verbunden und auf den beiden anderen Leitungen
werden das Anregungs- bzw. das Empfangssignal übertragen.
Bei diesen beiden Signalen handelt es sich insbesondere um elektrische
Wechselspannungssignale, so dass sich über die mit Masse verbundene
dritte Leitung das Referenzpotential ergibt. Damit geht beispielsweise
einher, dass die Masseleitung sowohl als Bestandteil des Sende-,
als auch des Empfangskanals verstanden werden kann.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass das Sendeelement, die erste Leitung und die zweite
Leitung zumindest teilweise den Sendekanal bilden, und dass das
Empfangselement, die erste Leitung und die dritte Leitung zumindest
teilweise den Empfangskanal bilden. Das Sendeelement und das Empfangselement
werden somit jeweils mit ihren Leitungen zu Kanälen zusammengefasst.
Je nach Ausgestaltung können noch weiteren Bauteile oder
Elemente als Teil der Kanäle angesehen werden.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die erste Leitung während einer Messphase
mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse,
verbunden ist, dass die zweite Leitung während der Messphase mit
dem Anregungssignal beaufschlagt ist, und dass die dritte Leitung
während der Messphase mit dem Empfangssignal beaufschlagt
ist. Die erste Leitung ist während der Messphase, also
während der Zeit, in welcher das Messgerät seine
Aufgaben erfüllt, vorzugsweise mit Masse verbunden und
stellt somit auch eine Trennung zwischen Sende- und Empfangskanal
bzw. zwischen Sende- und Empfangselement her. Die zweite und die
dritte Leitung dienen demgegenüber dem Übertragen
des Anregungs- bzw. des Empfangssignals. Bei beiden Signalen handelt
es sich vorzugsweise um elektrische Wechselspannungen.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die erste Leitung während der Testphase
mit der Elektronikeinheit kontaktiert ist, dass die zweite Leitung
während der Testphase, insbesondere über mindestens
einen Messwiderstand, mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere
mit Masse, verbunden ist, und dass die dritte Leitung während
der Testphase, insbesondere über mindestens einen Messwiderstand,
mit einem konstanten elektrischen Potential, insbesondere mit Masse,
verbunden ist. In der Testphase werden hier die zweite und die dritte
Leitung mit Masse verbunden und die erste Leitung wird mit der Elektronikeinheit
kontaktiert. Da die erste Leitung ein Bestandteil sowohl des Empfangs-,
als auch des Sendekanals ist, lässt sich somit auch leicht
ein passendes Anrege- oder Testsignal für die Durchführung
des Funktionstests auf die beiden Kanäle geben. Die Elektronikeinheit
wird hier sowohl für die Messung, als auch für
die Erzeugung des Anrege- oder Testsignals verwendet. Dies vereinfacht
den Aufbau. Alternativ kann jedoch auch eine zusätzliche
Einheit verwendet werden, welche ein passendes Signal erzeugt. Die
beiden Messwiderstände, über welche die zweite
und dritte Leitung jeweils mit einem konstanten Potential, vorzugsweise
Masse verbunden sind, erlauben jeweils den Abgriff des Sendekanal-
bzw. des Empfangskanal-Testsignals.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die erste Leitung während der Testphase
mit einem Testabfragesignal beaufschlagt ist. Bei dem Testabfragesignal
handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Spannungssignal,
welches die Ausmessung der Impedanzen oder insbesondere der Kapazitäten
erlaubt.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass mindestens eine Filtereinheit vorgesehen ist, dass
die Filtereinheit und die Elektronikeinheit zumindest während
der Testphase einen Schwingkreis mit einer vorgebbaren Resonanzfrequenz
bilden, und dass die Filtereinheit während der Testphase
ein Ausgangssignal der Elektronikeinheit modifiziert und das modifizierte
Ausgangssignal an die Elektronikeinheit zurückgibt. Die
Filtereinheit und die Elektronikeinheit bilden somit während
der Testphase einen zusätzlichen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz
sich über die Ausgestaltung z. B. der Filtereinheit einstellen
lässt. Dieser Schwingkreis kann entsprechend für
den Funktionstest der Elektronikeinheit verwendet werden. Bei der Filtereinheit
handelt es sich beispielsweise im Wesentlichen um einen Bandpass,
der auf eine bestimmte Frequenz eingestellt ist. Handelt es sich
bei dem Anregungssignal beispielsweise um ein Rechtecksignal, so
wird durch die Filtereinheit auch dieses Ausgangssignal der Elektronikeinheit
beispielsweise in ein sinusförmiges – andere Varianten
sind auch möglich – Signal umgewandelt. Die in
dieser Ausgestaltung vorgesehene Filtereinheit ist derartig ausgestaltet,
dass sie eine Amplitude, eine Frequenz oder eine Phase erzeugt, über
welche eine Aussage über die Elektronik (insbesondere der
Grundwellenanregung) möglich ist. Dieses modifizierte Anregungssignal
gelangt dann wieder zum Eingang der Elektronikeinheit und wird dort
passend verarbeitet bzw. ausgewertet.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches
Element und/oder ein elektromagnetisches Element aufweist. Im Stand
der Technik sind unterschiedliche Varianten zur Übertragung
zwischen den mechanischen Schwingungen und den zugehörigen
elektrischen Signalen bekannt. Je nach Ausgestaltung ist dabei dann
die kapazitive bzw. induktive Komponente der Impedanz des jeweiligen
Kanals dominant.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit in
der Art einer Schwinggabel ausgestaltet ist, oder dass die mechanisch
schwingfähige Einheit in der Art eines Einstabes ausgestaltet
ist, oder dass die mechanisch schwingfähige Einheit in der
Art eines Membran-Schwingers ausgestaltet ist.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße
um den Füllstand, die Dichte oder um die Viskosität
eines Mediums, insbesondere in einem Behälter, handelt.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe bezüglich des Verfahrens
dadurch, dass mindestens während einer Testphase ein von
einem Impedanzwert des Sendekanals abhängiges Sendekanal-Testsignal
und ein von einem Impedanzwert des Empfangskanals abhängiges
Empfangskanal-Testsignal miteinander ausgewertet werden.
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Die
oben genannten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und die zugehörigen Erläuterungen
gelten dabei auch entsprechend für das erfindungsgemäße
Verfahren.
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Zusammengefasst
besteht die Erfindung darin, dass die Impedanzen des Sende- und
des Empfangselements der Antriebs-/Empfangseinheit bzw. die Impedanzen
des Sende- und des Empfangskanals mit Hilfe einer Messbrücke
ausgewertet und insbesondere direkt miteinander verglichen werden.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung,
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2:
eine vereinfachte Darstellung der Elektronikschaltung, und
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3:
beispielhafte Signalverläufe von auftretenden Signalen.
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Die 1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Messgerät. Die
mechanisch schwingfähige Einheit 1 besteht in
dieser Ausgestaltung aus einem Paar von Gabelzinken 2,
welches an einer Membran 3 befestigt ist. Auf der Innenseite
der Membran 3 ist eine – hier nicht dargestellte – Antriebs-/Empfangseinheit vorhanden,
welche ein elektromechanischer Wandler ist und welche die mechanisch
schwingfähige Einheit 1 zu mechanischen Schwingungen
anregt bzw. welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 mechanische
Schwingungen empfängt. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit
handelt es sich dabei in dieser Ausgestaltung insbesondere um eines
oder mehrere piezoelektrische Elemente, welche ausgehend von einer
anliegenden elektrischen Wechselspannung mechanische Schwingungen
ausführen bzw. welche eine mechanische Schwingung in eine
elektrische Wechselspannung umwandeln.
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Für
die Messung bzw. Überwachung der Prozessgrößen
wie Füllstand, Dichte oder Viskosität eines Mediums
wird dabei ausgenutzt, dass die Amplitude, die Frequenz und/oder
die Phase der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen
Einheit 1 von der Wechselwirkung mit dem Medium abhängig sind
und dass somit ausgehend von den Kenngrößen der
Schwingungen auf diese Prozessgrößen rückgeschlossen
werden kann. So sinkt beispielsweise die Frequenz, wenn das Medium
die schwingfähige Einheit 1 bedeckt. Auswirkungen
auf die Schwingungen haben auch die Dichte oder die Viskosität
des Mediums.
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Andere – hier
nicht dargestellte – Ausführungen der mechanisch
schwingfähigen Einheiten weisen Einstäbe oder
nur die Membran auf, d. h. mit dem Medium tritt in diesen Fällen
nur ein Stab oder nur die Membran in Wechselwirkung.
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Hinter
der Membran 3 befindet sich ein Abschnitt zum Einschrauben
des Messgerätes in eine passende Aussparung (z. B. ein
Gewinde, ein Flansch oder ein beliebiger Anschluss) am Messort. Dient
das Messgerät beispielsweise als Grenzstandschalter, so
ist dieser Grenzstand des Füllstands durch die Ausgestaltung
des Messgerätes und dessen Ort der Anbringung – z.
B. in der Wandung eines Tanks oder sonstigen Behälters – vorgegeben.
Für den Fall, dass es sich bei der Prozessgröße
um Dichte oder Viskosität des Mediums handelt, ist das Messgerät
bzw. die mechanisch schwingfähige Einheit vorzugsweise
derartig ausgestaltet und angebracht, dass jeweils ein bekannter
Grad der Bedeckung durch das Medium – z. B. vollständige
Bedeckung – gegeben ist.
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In
der
2 ist eine Variante der Komponenten für
die Umsetzung der Erfindung dargestellt. Die Antriebs-/Empfangseinheit
4 ist
hier in zwei getrennte Einheiten aufgeteilt: Sendeelement
8 und
Empfangselement
9. Bei diesen beiden Einheiten kann es
sich beispielsweise um zwei getrennte und eigenständige piezo-elektrische
Elemente handeln, welche beispielsweise in einem Stapel angeordnet
sind, oder es handelt sich um die beiden piezo-elektrischen Elemente,
wie beispielsweise beschrieben im Dokument
EP 0 875 740 . Da es sich hier um piezoelektrische Elemente
handelt, ist somit der kapazitive Anteil der dominante an der Impedanz
der beiden Kanäle.
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Die
Antriebs-/Empfangseinheit 4 ist mit drei Leitungen L1,
L2 und L3 kontaktiert. Die erste Leitung L1 ist dabei zwischen dem
Sendeelement 8 und dem Empfangselement 9 angeordnet.
Da diese erste Leitung L1 während der hier in 2 dargestellten
Messphase mit dem Massepotential verbunden ist, sind das Sendeelement 8 und
Empfangselement 9 quasi entkoppelt und können
getrennt betrachtet werden bzw. dienen auch jeweils unterschiedlichen
Aufgaben, wie im Folgenden beschrieben wird.
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Die
zweite Leitung L2 ist mit dem Sendeelement 8 und – während
der Messphase – mit der Elektronikeinheit 5 verbunden.
Die Elektronikeinheit 5 dient insbesondere der Erzeugung
von Anregungssignalen und ist in einer Ausgestaltung beispielsweise derartig
ausgestaltet, dass sie der Grundwellenanregung der mechanisch schwingfähigen
Einheit dient.
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Die
erste Leitung L1, die zweite Leitung L2 und das Sendeelement 8 bilden
damit den Sendekanal 6, über welchen das Anregungssignal,
welches von der Elektronikeinheit 5 erzeugt wird, zum Sendeelement 8 gelangt.
Ausgehend von dem Anregungssignal führt das Sendeelement 8 dann
mechanische Schwingungen aus, welche auf die – hier nicht
dargestellte – mechanisch schwingfähige Einheit übertragen
werden.
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Das
Empfangselement 9 ist wiederum über die dritte
Leitung L3 mit dem Signaleingang der Elektronikeinheit 5 verbunden.
Dabei bilden die erste Leitung L1, die dritte Leitung L3 und das
Empfangselement 9 den Empfangskanal 7. Der Empfangskanal 9 wandelt
die von der Prozessgröße bzw. der Änderung
der Prozessgröße abhängigen mechanischen Schwingungen
der mechanisch schwingfähigen Einheit in elektrische Signale
um, welche über den Empfangskanal 9 an die Elektronikeinheit 5 als
Empfangssignal übertragen werden. In der Elektronikeinheit 5 findet
dann die Auswertung bzw. Weiterverarbeitung des Empfangssignals
statt.
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In
der hier dargestellten Messphase haben somit die hier verwendeten
drei Schalter 14 die entsprechende Stellung, dass sie die
erste Leitung L1 mit Masse und die zweite und dritte Leitung, L2
bzw. L3, mit dem Ausgang bzw. Eingang der Elektronikeinheit 5 verbinden.
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Für
die Testphase werden die drei Schalter 14 umgeschaltet
und stellen somit andere Verbindungen her. In der – hier
nicht dargestellten – Testphase sind die zweite und die
dritte Leitung L2, L3 – hier jeweils über einen
Messwiderstand 15 – mit Masse verbunden.
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Die
erste Leitung L1 wird hingegen während der Testphase mit
einem elektrischen Signal beaufschlagt, welches quasi der Ausmessung
der Kapazitäten von Sendekanal 6 und Empfangskanal 7 dient. Da
die erste Leitung L1 zwischen Sendeelement 8 und Empfangselement 9 angeordnet
ist, werden somit auch beide Elemente 8, 9 gleichzeitig
mit diesem Testabfragesignal beaufschlagt. Das Testabfragesignal
gelangt hier von der Elektronikeinheit 5, welches in der
Messphase der Grundwellenanregung der mechanisch schwingfähigen
Einheit dient, auf die erste Leitung L1 und dadurch zur Antriebs-/Empfangseinheit 4.
Bei dem Testabfragesignal handelt es sich dabei beispielsweise um
das auch während der Messphase verwendete Anregungssignal
oder um ein speziell für den Test z. B. in Bezug auf Frequenz
oder Form ausgestaltetes Wechselspannungssignal.
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Während
der Testphase wird von der zweiten Leitung L2 das Sendekanal-Testsignal
und von der dritten Leitung L3 das Empfangskanal-Testsignal abgegriffen.
Diese beiden Testsignale sind jeweils abhängig von den
Impedanzwerten bzw. insbesondere von den Kapazitätswerten
der jeweiligen Kanäle 6, 7 und erlauben
somit eine Aussage über die jeweiligen Impedanzen/Kapazitäten.
Damit lässt sich insbesondere feststellen, ob sich Änderungen
an der Antriebs-/Empfangseinheit 4 ergeben haben.
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Für
die Auswertung der Testsignale werden diese hier einer Testeinheit 10 zugeführt.
Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor, welcher
die Signale beispielsweise digitalisiert und passend auswertet.
In der hier dargestellten Variante sind in der Testeinheit 10 zwei
Operationsverstärker vorgesehen, welche einmal als Subtrahierer 11 und einmal
als Addierer 12 beschaltet sind. Somit werden in dieser
Variante das Sendekanal-Testsignal und das Empfangskanal-Testsignal
direkt miteinander verglichen. Es entfällt somit eine Referenzkapazität, wie
sie beispielsweise im Stand der Technik vorgesehen ist. Hier werden
das Sendeelement 8 und das Empfangselement 9 bzw.
die zugehörigen Kanäle 6, 7 direkt
miteinander verglichen und dienen somit gegenseitig der Referenzierung.
Die weiteren Bestandteile einer Auswerteeinheit zur Auswertung des
Sendekanal-Testsignals und des Empfangskanal-Testsignals bzw. des
Summen- und Differenzsignals ist hier nicht dargestellt.
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In
dem Fall, dass die beiden Elemente 8, 9 identisch
ausgestaltet sind und insbesondere den gleichen Kapazitätswert
aufweisen, sollte beispielsweise der Subtrahierer 11 ein
Nullsignal liefern für den Fall, dass alles in Ordnung
ist. Entsprechend ist dabei auch der Kapazitätswert der
elektrischen Leitungen L1, L2, L3 zu bedenken, d. h. auch deren
Ausgestaltung bzw. deren Kapazitätswerte spielen bei der
Betrachtung der Testsignale eine Rolle. Es ist zu erwähnen,
dass der Funktionstest durch die symmetrische Kontaktierung zwischen
Elektronik und dem Sende- und Empfangskanal z. B. alterungs- und
temperaturunabhängig ist, da beide Kanäle den
gleichen Umwelteinflüssen bzw. Prozessbedingungen unterliegen.
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Ist
beispielsweise eine Kontaktstelle nicht mehr in Ordnung und ändert
sich dadurch der Kapazitätswert einer der beiden Kanäle,
so ist dies durch die Auswertung der beiden Testsignale zu erkennen. Die
Differenz gibt somit insbesondere darüber Auskunft, ob
die Kanäle eine unterschiedliche Entwicklung ihrer Kapazitätswerte
erfahren haben.
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Das
Summensignal des Addierers 12 erlaubt es festzustellen,
ob beide Kanäle identischen Veränderungen unterliegen
oder unterlegen sind. Würde beispielsweise der Kontakt
zwischen Elektronikeinheit 5 und Antriebs-/Empfangseinheit 4 vollständig abreißen,
so würde das Differenzsignal den Wert Null geben, aber
das Summensignal würde ebenfalls mit einem Nullsignal den
Hinweis darauf geben, dass ein Fehler vorliegt. D. h. das additive
Zusammenführen der beiden Testsignale der beiden Kanäle 6, 7 zeigt symmetrische
Veränderungen der beiden Kanäle 6, 7 auf.
Ist somit beim Differenzsignal beispielsweise die Abweichung vom
Wert Null ein Zeichen für das Vorliegen eines asymmetrischen
Fehlers, so bedeutet ein Summensignal beispielsweise unterhalb eines Grenzwertes
einen symmetrischen Fehler, d. h. eines Fehlers, welcher beide Kanäle
gleichermaßen betrifft. Symmetrische Fehler können
jedoch auch eine generelle Erhöhung des Summensignals bewirken. Daher
sind ggf. zwei Grenzwerte nebst passenden Toleranzbereichen vorzugeben.
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Wie
zu erkennen, findet die Funktionsprüfung des Messgerätes
dadurch statt, dass die bestehende Elemente mit zusätzlichen
Elementen während der Testphase verbunden werden. In der
Messphase unterscheidet sich die Schaltung des Messgerätes
jedoch – bis auf die drei Schalter 14 für
die Umschaltung der drei Leitungen L1, L2, L3 und den vierten Schalter 16 zur
Erzeugung des Schwingkreises aus Elektronikeinheit 5 und
Filtereinheit 13 – nicht von der eines normalen
Messgerätes ohne eine solche Testfunktion. Der Vorteil
besteht somit darin, dass der der Messung dienende Bestandteil des Messgerätes
unverändert bleibt und sich somit gleich einem Messgerät
ohne eine solche Funktionsprüfung benimmt. Die für
den Test erforderlichen Bestandteile (insbesondere die Schalter 14)
werden dann beispielsweise durch die Testeinheit 10 oder
durch die Elektronikeinheit 5 oder durch die – hier
nicht dargestellte – Einheit zur Auswertung der Testsignale
bzw. des Summen- und des Differenzsignals gesteuert.
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Der
Schalter 16 bewirkt während der Testphase, dass
das Ausgangssignal der Elektronikeinheit 5, welches während
der Messphase als Anregungssignal dient, auf den Eingang der Elektronikeinheit 5 zurückgekoppelt
wird. Der Filter 13 trägt beispielsweise dazu
bei, dass beispielsweise ein Rechtecksignal, welches von der Elektronikeinheit 5 erzeugt
wird, beispielsweise in ein Sinussignal umgewandelt wird. Dieses
Sinussignal wird dann an den Eingang der Elektronikeinheit 5 gegeben
und wird dort entsprechend verarbeitet. Über diesen Rückkopplungspfad
ist somit auch eine Überprüfung der Elektronikeinheit 5 möglich,
wobei der Filter 13 – hierbei handelt es sich beispielsweise
im Wesentlichen um einen Bandpass – das Signal entsprechend
beeinflusst. In der Testphase ergibt sich eine für den Kreis
aus Elektronikeinheit 5 und Filter 13 spezifische Frequenz
des Signals, welches an den Eingang der Elektronikeinheit 5 gelangt.
Dies ist ein zusätzlicher Test der Elektronikeinheit 5,
welcher jedoch nicht erforderlich für die erfindungsgemäße Überprüfung
der beiden Kanäle 6, 7 ist.
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In
der 3 sind Signalverläufe dargestellt, wie
sie während der Testphase auftreten können. Dabei
handelt es sich um schematische Beispiele.
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In
der obersten Reihe ist das Testabfragesignal zu sehen, bei welchem
es sich hier im Wesentlichen um ein Rechtecksignal einer vorgegebenen Dauer
handelt. Dies ist somit das Signal, welches auf das Sendeelement 8 und
das Empfangselement 9 gegeben wird, um die von den jeweiligen
Kapazitätswerten der Kanäle 6, 7 abhängigen
Testsignale zu erhalten. Alternativ kann das Testabfragesignal jedoch auch
eine sinusförmige oder dreieckförmig oder beliebig
ausgestaltete elektrische Wechselspannung sein. Das Testabfragesignal
dient im Blick auf die 2 dazu, die RC-Glieder der beiden
Kanäle 6, 7 auszumessen.
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Das
Sendekanal-Testsignal und das Empfangskanal-Testsignal sind hier
in der zweiten Reihe dargestellt, wobei der Fall zu sehen ist, dass
sich diese beiden Signale voneinander unterscheiden. Es liegt somit
hier ein Fehlerfall vor. Wie zu sehen, fällt die eine Kurve
schneller als die andere Kurve ab. Dabei handelt es sich jeweils
um die Auf- bzw. Endladekurven der beiden RC-Glieder, welche sich
durch die Kapazitäten der beiden Kanäle und durch
die hinzugeschalteten Widerstände 15 (siehe 2)
ergeben.
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Die
dritte Reihe zeigt das Differenzsignal von Sendekanal-Testsignal
und Empfangskanal-Testsignal. Wären die Kapazitätswerte
von Sende- und das Empfangskanal identisch, so müsste das
Differenzsignal ein Nullsignal sein. In diesem Fehlersignal zeigt sich
jedoch eine deutliche Abweichung davon. Tritt somit beim Differenzsignal über
einen vorgebbaren Toleranzbereich hinaus eine Abweichung von einem vorgebbaren
Sollwert auf, so kann ein entsprechender Alarm bzw. Hinweis für
den Betreiber des Messgerätes erzeugt werden. Solche Abweichungen
des Differenzsignals sind dabei Anzeichen für asymmetrische
Fehler.
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Bei
der Auswertung der Brückenspannungen in der Messbrücke über
den Subtrahierer werden Unsymmetrien zwischen den beiden Pfaden
bzw. Kanälen offenbar. Somit kann z. B. ein Kabelbruch
innerhalb eines Kanals oder auch ein Bruch des piezo-elektrischen
Elements oder eines der Elemente innerhalb eines Stapels detektiert
werden, da sich dadurch die Kapazität in einem der beiden
Kanäle ändert. Da das Sende- und das Empfangselement vorzugsweise über
gleichlange Leitungen mit der Elektronikeinheit verbunden sind,
welche auch von der Elektronikeinheit räumlich gemeinsam
zum Antriebs-/Empfangseinheit geführt werden, sind die
das Sende- und das Empfangselement und die Leitungen Temperatureinflüssen
gleichermaßen ausgesetzt. Daher verfälscht die
Temperatur die Messung nicht und der Sensorzustand kann deutlich
genauer als im Stand der Technik durch die Messung des Differenzsignals
erfasst werden. Zudem wirken sich auch die Alterung des Piezowerkstoffs
und piezoelastische Eigenschaften (z. B. die Kapazitätsänderung
durch einen vom Prozess auf die Membran bzw. die darunter bzw. im
Gehäuseinneren befindliche Antriebs-/Empfangseinheit lastender
Druck) im gleichen Maße auf beide Elemente.
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In
der vierten Zeile ist das Summensignal dargestellt, dessen Abweichungen über
einen Toleranzbereich hinaus von einem Sollwert ebenfalls zur Überwachung
herangezogen werden kann. Das Summensignal erlaubt zusätzlich
noch die Überprüfung der Gesamtkapazität
der beiden Kanäle. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft,
wenn ein Effekt sich gleichartig auf beide Kanäle auswirkt,
d. h. z. B. beim Ausfall beider Kanäle. So zum Beispiel
das Abreißen der beiden die jeweiligen für die
Messung relevanten Signale führende Leitungen. Um solche
Effekte zu erkennen, kann alternativ zum Differenzsignal auch ein einzelnes
Testsignal einer der beiden Kanäle ausgewertet werden.
Dabei findet jedoch im Gegensatz zum geschilderten Stand der Technik
kein Parallelschalten der beiden als Kondensatoren verstandenen
Sende- und Empfangseinheit statt. Bei der Auswertung des Summensignals
ist ggf. das Überschreiten eines Grenzwerts und das unterschreiten
eines anderen Grenzwerts getrennt zu betrachten. Beispielsweise
können die Bildung einer Kondensatbrücke oder
Korrosionsprodukte im Anschlussbereich zu einer Verminderung der
Impedanz der Kanäle und somit zu einer Erhöhung
des Summensignals führen.
-
Die
Auswertung von Differenz- und Summensignal erhöht somit
den Informationsgewinn und es lassen sich mehr Fehler aufdecken.
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- 1
- Mechanisch
schwingfähige Einheit
- 2
- Gabelzinken
- 3
- Membran
- 4
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 5
- Elektronikeinheit
- 6
- Sendekanal
- 7
- Empfangskanal
- 8
- Sendeelement
- 9
- Empfangselement
- 10
- Testeinheit
- 11
- Subtrahierer
- 12
- Addierer
- 13
- Filtereinheit
- 14
- Schalter
- 15
- Messwiderstand
- 16
- Schalter
- L1
- Erste
Leitung
- L2
- Zweite
Leitung
- L3
- Dritte
Leitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0444173
B1 [0004]
- - WO 2004/094964 A1 [0004]
- - EP 1325301 [0004]
- - WO 2007/101461 A1 [0007]
- - EP 0875740 [0038]