DE102015112055A1 - Vibronic sensor for determining or monitoring a process variable - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums (9) in einem Behälter, mit einem Sensorrohr (2) und einer das Sensorrohr (2) in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran (3) oder mit einer das Sensorrohr (2) in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran (3), an deren Außenfläche ein Schwingelement (4) befestigt ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (6) vorgesehen ist, die die Membran (3) oder die Membran (3) mit dem Schwingelement (4) zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (8) vorgesehen ist, die anhand der empfangenen Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes erkennt oder die Dichte bzw. die Viskosität des Mediums ermittelt. In einem definierten Abstand (L) von der Membran (3) ist eine das Sensorrohr (2) gasdicht abschließende Barriere (7) vorgesehen. In der zwischen Membran (3) und Barriere (7) gebildeten Kavität (10) ist ein gasförmiges Medium (11) eingeschlossen, das unter Normalbedingungen (p0, T0) eine definierte Schallgeschwindigkeit (c) aufweist. Weiterhin ist ein Schallwellenerzeuger (6a) vorgesehen, der in der Kavität (10) zumindest zeitweise eine Schallwelle ausbildet, die ein charakteristisches Schwingungsverhalten oder eine charakteristische Laufzeit aufweist. Die Regel-/Auswerteeinheit (8) bestimmt anhand einer Änderung des charakteristischen Schwingungsverhaltens oder der charakteristischen Laufzeit der Schallwelle die Temperatur (T).The invention relates to a device for determining or monitoring a process variable, in particular a predetermined fill level, the density or the viscosity of a medium (9) in a container, with a sensor tube (2) and a membrane gas-tightly closing the sensor tube (2) in an end region (3) or with a membrane (3) gas-tightly sealing the sensor tube (2) in an end region, on whose outer surface a vibrating element (4) is fastened, wherein a transmitting / receiving unit (6) is provided which supports the membrane (3) or the membrane (3) to the vibrating element (4) to vibrate and which receives the vibrations, and wherein a control / evaluation unit (8) is provided, which detects the achievement of the predetermined level or the density or determines the viscosity of the medium. At a defined distance (L) from the membrane (3) a sensor tube (2) gas-tight barrier (7) is provided. In the cavity (10) formed between membrane (3) and barrier (7), a gaseous medium (11) is enclosed, which has a defined sound velocity (c) under normal conditions (p0, T0). Furthermore, an acoustic wave generator (6a) is provided, which in the cavity (10) at least temporarily forms a sound wave which has a characteristic vibration behavior or a characteristic transit time. The control / evaluation unit (8) determines the temperature (T) based on a change in the characteristic vibration behavior or the characteristic transit time of the sound wave.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums in einem Behälter, mit einem Sensorrohr und einer das Sensorrohr in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran oder mit einer das Sensorrohr in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran, an deren Außenfläche ein Schwingelement befestigt ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, die die Membran oder die Membran mit dem Schwingelement zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die anhand der empfangenen Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes erkennt oder die Dichte bzw. die Viskosität des Mediums ermittelt. Eine derartige Vorrichtung wird auch als vibronischer Sensor oder Vibrationssensor bezeichnet. Der vibronische Sensor ist zwecks Füllstandsmessung auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht. Zwecks Messung der Viskosität oder der Dichte muss der Sensor so in dem Behälter positioniert sein, dass er – zumindest zeitweise – bis zu einer definierten Eintauchtiefe mit dem Medium in Kontakt ist.The invention relates to a device for determining or monitoring a process variable, in particular a predetermined fill level, the density or the viscosity of a medium in a container, with a sensor tube and a sensor tube in a gas-tight closing in one end membrane or with a sensor tube in an end region gas-tight closing membrane, on the outer surface of a vibrating element is fixed, wherein a transmitting / receiving unit is provided which excites the membrane or the membrane with the vibrating element to vibrate and which receives the oscillations of the oscillatory unit, and wherein a control / evaluation unit is provided , which detects the achievement of the predetermined level based on the received vibrations or determines the density or the viscosity of the medium. Such a device is also referred to as a vibronic sensor or vibration sensor. The vibronic sensor is mounted at the level of the specified level for the purpose of level measurement. For the purpose of measuring viscosity or density, the sensor must be positioned in the container in such a way that it is in contact, at least temporarily, with the medium, up to a defined immersion depth.

Das schwingfähige Element kann je nach Anwendung unterschiedlich ausgestaltet sein: als Membran mit Schwinggabel mit zwei symmetrisch an der Membran angeordneten Gabelzinken, als Membran mit Einstab, bei dem lediglich eine Zinke mit internem Gegenschwinger mittig an einer Membran angeordnet ist oder aber auch als Membran als solche. Vibrationssensoren mit Schwinggabeln werden in Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen eingesetzt und von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Unter der Bezeichnung SOLIPHANT sind Vibrationssensoren mit einem Einstab bekannt geworden. Diese sind hauptsächlich für den Einsatz in Feststoffen oder in Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen ausgewiesen. Aus der DE 10 2005 044 725 A1 ist darüber hinaus eine Ausgestaltung eines Membranschwingers bekannt geworden, der für den Einsatz in unterschiedlichsten Medien geeignet ist.The oscillatory element can be designed differently depending on the application: as a membrane with tuning fork with two symmetrically arranged on the diaphragm forks, as a membrane with a single rod in which only a tine with internal counteroscillator is centrally located on a membrane or as a membrane as such , Vibration sensors with tuning forks are used in liquids, gases and solids and offered and sold by the applicant under the name LIQUIPHANT. Under the name SOLIPHANT vibration sensors have become known with a single rod. These are mainly designated for use in solids or liquids with solids content. From the DE 10 2005 044 725 A1 In addition, an embodiment of a membrane vibrator is known, which is suitable for use in a variety of media.

Vibronische Sensoren zur Füllstandsmessung schwingen üblicherweise auf einer definierten Resonanzfrequenz – führen also eine harmonische Schwingung aus. Die Resonanzfrequenz ist durch die Konstruktion der schwingförmigen Einheit und die verwendeten Werkstoffe bestimmt. Jede Schwingung lässt sich über die Frequenz und die Dämpfung charakterisieren. Schwingt die schwingfähige Einheit in einem flüssigen Medium mit einer hohen Dichte, so hat die Mediumsdichte als mitbewegte Masse einen Einfluss auf die schwingfähige Einheit. Folglich liegt die Schwingfrequenz in einem flüssigen Medium tiefer als in einem gasförmigen Medium. Eine Frequenzänderung zeigt somit beispielsweise den Übergang von einem gasförmigen zu einem flüssigen Medium an. Weiterhin hat die Dämpfung des Mediums einen Einfluss auf die Schwingungen eines vibronischen Sensors. Schüttgüter wie Weizen oder Reis dämpfen die Schwingungen der schwingfähigen Einheit eines Vibrationssensors und verursachen eine drastische Amplitudensenkung beim Übergang Luft/Schüttgut.Vibronic sensors for level measurement usually oscillate at a defined resonant frequency - that is, they produce a harmonic oscillation. The resonance frequency is determined by the structure of the oscillating unit and the materials used. Each oscillation can be characterized by frequency and attenuation. If the oscillatable unit oscillates in a liquid medium with a high density, the medium density as a moving mass has an influence on the oscillatable unit. Consequently, the oscillation frequency is lower in a liquid medium than in a gaseous medium. A change in frequency thus indicates, for example, the transition from a gaseous to a liquid medium. Furthermore, the damping of the medium has an influence on the vibrations of a vibronic sensor. Bulk materials such as wheat or rice dampen the vibrations of the vibratory unit of a vibration sensor and cause a drastic reduction in the amplitude of the transition between air and bulk material.

Als Grenzstandmessgeräte ausgebildete Vibrationssensoren nutzen somit den Effekt aus, dass sowohl die Schwingungsfrequenz als auch die Schwingungsamplitude abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des Schwingelements: Während das Schwingelement in Luft frei und ungedämpft seine Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung (üblicherweise wird nur die Frequenz gemessen) lässt sich folglich ein eindeutiger Rückschluss auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter ziehen. Die Frequenzänderung in nicht dämpfenden Medien, wie Gasen und dünnflüssigen Flüssigkeiten, hängt von der Mediumsdichte ab. Die Frequenzänderung ist ausreichend, um das Medium zu erkennen und die Dichte auszuwerten. Füllstandsmessgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüllsicherungen, zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes oder zur Erkennung von Durchfluss in einer Rohrleitung verwendet.As a level measuring instruments trained vibration sensors thus make use of the effect that both the vibration frequency and the vibration amplitude depends on the respective degree of coverage of the vibrating element: While the vibrating element can freely and undamped perform its vibrations in air, it undergoes a frequency and amplitude change as soon as it partially or completely immersed in the medium. Based on a predetermined frequency change (usually only the frequency is measured) can thus draw a clear conclusion on the achievement of the predetermined level of the medium in the container. The frequency change in non-damping media, such as gases and low-viscosity liquids, depends on the medium density. The frequency change is sufficient to detect the medium and to evaluate the density. Incidentally, fill level gauges are primarily used as overfill prevention devices, for pump idle protection or to detect flow in a pipeline.

Wie bereits gesagt, wird die Dämpfung der Schwingung des schwingfähigen Elements überwiegend durch die Reibungskräfte zwischen den festen Partikeln oder Molekülen des jeweiligen Mediums bestimmt. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zwischen der Schwingungsamplitude und der Dichte des Schüttguts (die Reibung in schweren Schüttgütern mit einer hohen Schüttgutdichte ist höher als in leichten) oder zwischen der Schwingungsamplitude und der Viskosität, so dass Vibrationssensoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung in Schüttgüter geeignet sind. Weiterhin werden vibronische Sensoren zur Bestimmung der Viskosität eines flüssigen Mediums eingesetzt.As already stated, the damping of the vibration of the vibratable element is determined predominantly by the frictional forces between the solid particles or molecules of the respective medium. Therefore, with constant coverage, there is a functional relationship between vibration amplitude and bulk density (friction is greater in heavy bulk solids with a high bulk density than in light) or between vibration amplitude and viscosity, so that vibration sensors for both the level and bulk solids are suitable for density determination in bulk solids. Furthermore, vibronic sensors are used to determine the viscosity of a liquid medium.

Die Schwingungen eines Vibrationssensors werden von einem elektromechanischen Wandler erzeugt. Bei dem elektromechanischen Wandler handelt es sich üblicherweise um einen Piezoantrieb mit zumindest einem piezoelektrischen Element. Der Piezoantrieb regt das schwingfähige Element zu harmonischen Schwingungen auf einer Resonanzfrequenz an und kompensiert die Energieverluste, die in der schwingfähigen Einheit auftreten. Mit Piezoantrieben lässt sich ein hoher Wirkungsgrad erzielen. Da die Energiezufuhr relativ gering ist, ist ein breiter Einsatz in der Automatisierungstechnik möglich. Weitere Information findet sich beispielsweise in der DE 10 2008 050 266 A1 .The vibrations of a vibration sensor are generated by an electromechanical transducer. The electromechanical converter is usually a piezo drive with at least one piezoelectric element. The piezo drive excites the vibratable element to harmonic oscillations at a resonant frequency and compensates for the energy losses that occur in the oscillatory unit. With piezo drives, a high degree of efficiency can be achieved. Since the energy supply is relatively low, a broad use in automation technology is possible. Further information can be found for example in the DE 10 2008 050 266 A1 ,

Vielfach werden sogenannte Stapelantriebe als Piezoantriebe eingesetzt. Bei Stapelantrieben sind mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente übereinander gestapelt angeordnet. Darüber hinaus werden zur Schwingungserzeugung und Schwingungsdetektion Bimorphantriebe verwendet. Prinzipiell besteht ein Bimorphantrieb aus einem mit der Membran kraftschlüssig verbundenen, scheibenförmigen piezoelektrischen Element, das in zumindest zwei flächigen Bereichen eine Polarisation aufweist. In der EP 0 985 916 A1 und der EP 1 281 051 B1 sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Bimorphantrieben beschrieben.In many cases, so-called stacking drives are used as piezo drives. In stack drives, a plurality of disk-shaped piezoelectric elements are stacked one above the other. In addition, bimorph drives are used for vibration generation and vibration detection. In principle, a bimorph drive consists of a disk-shaped piezoelectric element that is frictionally connected to the membrane and that has a polarization in at least two area regions. In the EP 0 985 916 A1 and the EP 1 281 051 B1 different embodiments of bimorph drives are described.

Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht eine Auswerteeinheit die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude des Schwingelements und signalisiert den Zustand ‘Sensor bedeckt‘ bzw. ‘Sensor unbedeckt‘, sobald die Messsignale einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.In the case of filling level determination, an evaluation unit monitors the oscillation frequency and / or the oscillation amplitude of the oscillation element and signals the state 'sensor covered' or 'sensor uncovered' as soon as the measurement signals undershoot or exceed a predetermined reference value. An appropriate message to the operating personnel can be made visually and / or acoustically. Alternatively or additionally, a switching operation is triggered; For example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.

Die Resonanzfrequenz eines vibronischen Sensors weist eine Temperaturabhängigkeit auf. Um eine hohe Messgenauigkeit insbesondere bei der Dichtebestimmung zu erreichen, muss daher auch die Temperatur des Mediums oder des Prozesses bekannt sein, je nachdem, wo der Sensor zum Einsatz kommt. So sind auch verschiedenartige Anwendungen bekannt, bei denen neben dem Füllstand auch die Prozesstemperatur – also die Temperatur im Gasraum – bestimmt werden muss.The resonant frequency of a vibronic sensor has a temperature dependence. In order to achieve a high measurement accuracy, in particular in the density determination, therefore, the temperature of the medium or the process must be known, depending on where the sensor is used. Thus, various applications are known in which in addition to the level and the process temperature - ie the temperature in the gas space - must be determined.

Üblich ist es zwecks Temperaturmessung, einen zusätzlichen Temperatursensor an geeigneter Stelle – getrennt vom vibronischen Sensor – zu platzieren. Für eine temperaturkompensierte Dichtemessung wird der Temperatursensor zusammen mit dem zur Dichtemessung vorgesehenen vibronischen Sensor an einen Auswertecomputer – allgemein eine Regel-/Auswerteeinheit – angeschlossen. Der Nachteil bei der Verwendung zweier separater Sensoren besteht vornehmlich darin, dass jeder zusätzliche Prozessanschluss neben der Verursachung von Kosten auch ein zusätzliches Risiko bezüglich Dichtheit und Hygiene im Prozess darstellt.For the purpose of temperature measurement, it is customary to place an additional temperature sensor at a suitable location - separate from the vibronic sensor. For a temperature-compensated density measurement, the temperature sensor, together with the vibronic sensor intended for density measurement, is connected to an evaluation computer - generally a control / evaluation unit. The disadvantage of using two separate sensors is primarily that every additional process connection, in addition to causing costs, also poses an additional risk in terms of tightness and hygiene in the process.

Ein Anbringen des Temperatursensors direkt an der Membran oder an der Schwinggabel ist aus mechanischen Gründen nicht möglich, da das Schwingsystem hierdurch in seiner Funktionsfähigkeit negativ beeinträchtigt wird. Eine Integration des Temperatursensors in das Sensorrohr des vibronischen Sensors ist auf Grund der Art der Anbringung der piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit relativ schwierig. So wird ein Stapelantrieb über eine Druckschraube, die in ein Gewinde an der Innenwand des Sensorrohrs eingreift, gegen die Membran gepresst. Ein an der Innenwand des Sensorrohrs befestigter Temperatursensor stellt beim Einschrauben der Druckschraube ein Problem dar.An attachment of the temperature sensor directly to the membrane or on the tuning fork is not possible for mechanical reasons, since the vibration system is thereby adversely affected in its functionality. Integration of the temperature sensor into the sensor tube of the vibronic sensor is relatively difficult due to the manner of mounting the piezoelectric drive / receiver unit. Thus, a stack drive is pressed against the membrane via a pressure screw, which engages in a thread on the inner wall of the sensor tube. A mounted on the inner wall of the sensor tube temperature sensor is a problem when screwing the pressure screw.

Aus der Schrift DE 10 2006 007 199 A1 ist ein vibronischer Sensor zur Füllstandsmessung bekannt, bei welchem ein Temperatursensor im Bereich zwischen der schwingungsfähigen Einheit und der Sende-/Empfangseinheit angebracht ist. Es wird nicht dargestellt, wie die Kopplung zwischen Sende-/Empfangseinheit und schwingungsfähiger Einheit über den Temperatursensor hinweg erfolgt. Somit stellt sich das Problem, eine unbeeinträchtigte Übertragung der mechanischen Schwingungen vom Piezoantrieb zur Membran mit dem schwingungsfähigen Element zu erreichen. Als Lösung wird weiterhin vorgeschlagen, einen separaten Temperatursensor in dem Behälter vorzusehen.From the Scriptures DE 10 2006 007 199 A1 a vibronic sensor for level measurement is known, in which a temperature sensor is mounted in the region between the oscillatory unit and the transceiver unit. It is not shown how the coupling between the sender / receiver unit and the oscillatable unit takes place over the temperature sensor. Thus, the problem arises to achieve an unimpaired transmission of the mechanical vibrations from the piezo drive to the membrane with the oscillatory element. As a solution, it is further proposed to provide a separate temperature sensor in the container.

Aus der WO 2011/032793 A1 ist eine Lösung bekannt geworden, bei der der Temperatursensor in ein bestehendes Teilelement des vibronischen Messgeräts mit Stapelantrieb integriert ist. Von einem vibronischen Sensor mit separatem Temperatursensor unterscheidet sich die bekannt gewordene Lösung dadurch, dass lediglich ein bestimmtes Teilelement durch ein ähnliches Teilelement mit integriertem Temperatursensor ausgetauscht werden muss; auch sind zusätzliche Anschlussleitungen zur elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors vorzusehen. Neben einer erleichterten Fertigung benötigt diese Lösung im vibronischen Sensor keinen zusätzlichen Platz für den Temperatursensor. Das Teilelement, in welches der Temperatursensor integriert ist, befindet sich bevorzugt im Nahbereich der Antriebseinheit, wobei der Nahbereich den Bereich des Sensors umfasst, welcher zwischen der schwingfähigen Einheit und der Druckschraube zur Befestigung des Stapelantriebs liegt. Die Druckschraube ist hierbei in den Nahbereich mit eingeschlossen. Prinzipiell ist jedes bestehende Teilelement des vibronischen Sensors, dessen Temperatur sich relativ schnell an die Temperatur des Mediums oder die Prozesstemperatur angleicht, zur Aufnahme des Temperatursensors geeignet. Geringe Abweichungen zwischen Mediumstemperatur und Temperatur am Ort des Temperatursensors können bei bekanntem Abweichverhalten bei der Bestimmung der Mediumstemperatur berücksichtigt werden. Durch Korrektur der gemessenen Temperaturwerte mit einer dem Abweichverhalten entsprechenden Formel werden bestehende Temperaturdifferenzen ausgeglichen, so dass die Mediumstemperatur im Rahmen der gewünschten Genauigkeit bestimmbar ist.From the WO 2011/032793 A1 has become known a solution in which the temperature sensor is integrated into an existing sub-element of the vibronic meter with stacker drive. From a vibronic sensor with a separate temperature sensor, the known solution differs in that only a certain sub-element must be replaced by a similar sub-element with integrated temperature sensor; Also, additional connection lines for electrical contacting of the temperature sensor are provided. In addition to facilitating production, this solution in the vibronic sensor requires no additional space for the temperature sensor. The sub-element, in which the temperature sensor is integrated, is preferably located in the vicinity of the drive unit, wherein the proximity area comprises the area of the sensor which lies between the oscillatable unit and the pressure screw for fastening the stack drive. The pressure screw is enclosed in the near area. In principle, any existing sub-element of the vibronic sensor whose temperature is relatively fast to the temperature of the medium or the process temperature, suitable for receiving the temperature sensor. Small deviations between medium temperature and temperature at the location of the temperature sensor can be taken into account in the determination of the medium temperature with known deviation behavior. By correcting the measured temperature values with a formula corresponding to the deviation behavior, existing temperature differences are compensated, so that the Medium temperature within the desired accuracy can be determined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vibronischen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines vibronischen Sensors, der eine Temperaturbestimmung großteils unter Verwendung bereits vorhandener Komponenten des vibronischen Sensors gestattet.The invention is based on the object, a vibronic sensor and a method for producing a vibronic sensor that allows a temperature determination largely using already existing components of the vibronic sensor.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums in einem Behälter, mit einem Sensorrohr und einer das Sensorrohr in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran oder mit einer das Sensorrohr in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran, an deren Außenfläche ein Schwingelement befestigt ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, die die Membran oder die Membran mit dem Schwingelement zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die anhand der empfangenen Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes erkennt oder die Dichte bzw. die Viskosität des Mediums ermittelt. Weiterhin ist in einem definierten Abstand von der Membran eine das Sensorrohr gasdicht abschließende Barriere vorgesehen ist. In der zwischen Membran und Barriere gebildeten Kavität ist ein gasförmiges Medium eingeschlossen, das unter Normalbedingungen eine definierte Schallgeschwindigkeit aufweist. Ein Schallwellenerzeuger erzeugt in der Kavität zumindest zeitweise eine Schallwelle, die ein charakteristisches Schwingungsverhalten oder eine charakteristische Laufzeit aufweist. Anhand einer Änderung des charakteristischen Schwingungsverhaltens oder der charakteristischen Laufzeit der Schallwelle wird anschließend die Temperatur bestimmt.The object is achieved by a device for determining or monitoring a process variable, in particular a predetermined fill level, the density or the viscosity of a medium in a container, with a sensor tube and a membrane gas-tight closing the sensor tube in an end region or with the sensor tube in one End region gas-tight closing membrane, on the outer surface of a vibrating element is fixed, wherein a transmitting / receiving unit is provided which excites the membrane or the membrane with the vibrating element to vibrate and receives the vibrations of the oscillatory unit, and wherein a control / evaluation unit is provided, which detects the achievement of the predetermined level based on the received vibrations or determines the density or the viscosity of the medium. Furthermore, a sensor tube gas-tight barrier is provided at a defined distance from the membrane. The cavity formed between the membrane and the barrier encloses a gaseous medium which under normal conditions has a defined speed of sound. A sound wave generator generates in the cavity at least temporarily a sound wave having a characteristic vibration behavior or a characteristic duration. Based on a change in the characteristic vibration behavior or the characteristic duration of the sound wave, the temperature is subsequently determined.

Der Abstand L der Flächen, zwischen denen sich die Schallwellen in der Kavität befinden bzw. ausbreiten, ist so bemessen, dass sich unter vorgegebenen Referenzbedingungen eine stehende Schallwelle mit einer gewünschten Schallwellenfrequenz in der Kavität ausbildet. Diese Schallwellenfrequenz muss außerhalb der Schwingungsfrequenz des vibronischen Sensors liegen. Insbesondere muss sichergestellt sein, dass die zur Bestimmung der Temperatur verwendeten Frequenzen einen ausreichenden Abstand zu den Frequenzen zur Bestimmung von Füllstand, Dichte und/oder Viskosität haben. Der Frequenzabstand ist ausreichend, wenn sich die Schallwellenfrequenz und die Schwingfrequenz und ihre Harmonischen auch in den Endbereichen der umgebenden Frequenzbänder möglichst weder berühren noch überschneiden.The distance L of the surfaces between which the sound waves are located or propagate in the cavity, is dimensioned so that forms a standing sound wave with a desired sound wave frequency in the cavity under predetermined reference conditions. This sound wave frequency must be outside the vibration frequency of the vibronic sensor. In particular, it must be ensured that the frequencies used to determine the temperature have a sufficient distance from the frequencies for determining fill level, density and / or viscosity. The frequency spacing is sufficient if the sound wave frequency and the oscillation frequency and their harmonics, as far as possible, neither touch nor overlap in the end regions of the surrounding frequency bands.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind:

• – kaum zusätzlicher Montageaufwand
• – Minimierung des Eingriffs in den Prozess
• – Temperaturmessung dicht am Ort der Bestimmung der Prozessgröße
• – Bestimmung eines Mittelwertes der Temperatur anstelle der sonst üblichen punktuellen Messung bei einem Temperatursensor
• – erhöhte Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Prozessgröße, insbesondere bei der Bestimmung der Dichte.

The advantages of the device according to the invention are:

• - hardly any additional installation effort
• - Minimizing the intervention in the process
• - Temperature measurement close to the location of the determination of the process variable
• - Determining an average value of the temperature instead of the usual punctual measurement in a temperature sensor
• - Increased measurement accuracy when determining the process variable, especially when determining the density.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit, basierend auf der Gleichung:

mit dem Adiabatenkoeffizient κ, dem Druck p, der Gasdichte ρ, der universellen Gaskonstante R, der molaren Masse M des Gases und der absoluten Temperatur T,
die Temperatur nach der folgenden Formel:

According to a preferred embodiment of the device according to the invention, the control / evaluation unit determines, based on the equation:

with the adiabatic coefficient κ, the pressure p, the gas density ρ, the universal gas constant R, the molar mass M of the gas and the absolute temperature T,
the temperature according to the following formula:

Bei der Sende-/Empfangseinheit handelt es sich bevorzugt um einen piezoelektrischen Antrieb mit zumindest einem scheibenförmiger piezoelektrischen Element. Dieses ist kraftschlüssig mit der Membran gekoppelt. Entsprechende Antriebe sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Variationen bekannt geworden. Beispiele des Standes der Technik, die auch im Zusammenhang mit der Erfindung eingesetzt werden können, sind in der Beschreibungseinleitung genannt.The transmitting / receiving unit is preferably a piezoelectric drive with at least one disk-shaped piezoelectric element. This is frictionally coupled with the membrane. Corresponding drives have become known from the prior art in various variations. Examples of the prior art, which can also be used in connection with the invention, are mentioned in the introduction to the description.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Regel-/Auswerteeinheit das zumindest eine piezoelektrische Element zumindest zeitweise – abwechselnd oder synchron – mit einer Frequenz anregt, die außerhalb des Frequenzbandes zur Anregung der Schwingungen der Membran oder der Membran und des Schwingelements liegt. Bevorzugt sind die Frequenz und die Länge L so gewählt, dass sich unter vorgegebenen Randbedingungen eine stehende Schallwelle zwischen der Membran und der Barriere ausbildet. In diesem Fall agiert das scheibenförmige piezoelektrische Element als Schallwellenerzeuger und als Schallwellenempfänger. Geeignete Ausgestaltungen liegen im Fachwissen einer fachlich qualifizierten Person. Die Regel/Auswerteeinheit bestimmt die Temperatur anhand einer Frequenzänderung der stehenden Welle. Hierdurch wird Information über die Temperatur verfügbar, ohne dass konstruktive Änderungen an den üblichen Komponenten eines vibronischen Sensors erforderlich sind.It is considered to be particularly advantageous if the control / evaluation unit excites the at least one piezoelectric element at least temporarily - alternately or synchronously - at a frequency which is outside the frequency band for excitation of the vibrations of the membrane or of the membrane and of the vibrating element. Preferably, the frequency and the length L are chosen so that forms a standing sound wave between the membrane and the barrier under predetermined boundary conditions. In this case, the disc-shaped piezoelectric element acts as a sound wave generator and as a sound wave receiver. Suitable embodiments are in the expertise of a technically qualified person. The control / evaluation unit determines the temperature based on a frequency change of the standing wave. As a result, information about the temperature becomes available without constructive changes to the usual components of a vibronic sensor are required.

Wie bereits erwähnt, ist der Abstand zwischen den beiden Flächen, zwischen denen sich die Schallwellen einer vorgegebenen Frequenz in der Kavität ausbreiten, so bemessen, sich eine stehende Welle bildet. Weiterhin ist sichergestellt, dass sich die Frequenzen zur Bestimmung der Temperatur nicht mit den (Resonanz-)Frequenzen zur Bestimmung von Füllstand, Dichte und/oder Viskosität überschneiden. Um eine Beeinflussung zwischen der Messung der Prozessgröße und der Temperatur auszuschließen, liegen die Frequenzen, mit denen die Membran oder die Membran mit Schwingelement angeregt werden, unterhalb von 18 KHz, während die Schallwellen, die für die Temperaturbestimmung herangezogen werden, in einem Frequenzbereich oberhalb von 18 KHz, bevorzugt oberhalb von 20 KHz, liegen.As already mentioned, the distance between the two surfaces, between which the sound waves of a given frequency propagate in the cavity, is dimensioned to form a standing wave. Furthermore, it is ensured that the frequencies for determining the temperature do not overlap with the (resonant) frequencies for determining fill level, density and / or viscosity. To preclude any interference between process size and temperature measurement, the frequencies at which the membrane or membrane is excited by the vibrating element are below 18 KHz, while the sound waves used to determine the temperature are in a frequency range above 18 KHz, preferably above 20 KHz.

Alternativ ist es möglich, den Schallwellenerzeuger als separate Komponente an einer Innenfläche des Sensorrohrs, der Barriere oder der Membran vorzusehen. Wiederum ist der Bereich, in dem die ausgesendeten Schallwellen auf eine gegenüberliegende Fläche treffen, bevorzugt als Reflektor ausgestaltet. Um Energieverluste in der Schallwelle zu vermeiden, ist die Barriere zumindest teilweise als akustischer Resonator mit einer definierten akustischen Impedanz ausgestaltet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Barriere um eine Schraube, die im Abstand L über ein Gewinde mit dem Sensorrohr verbunden ist. Selbstverständlich kann die Barriere auch mit dem Sensorrohr verschweißt sein. Die Barriere kann beispielsweise aus Edelstahl, aus Kunststoff oder aus einem Metall mit einer Kunststoffbeschichtung bestehen. Wichtig ist nur, dass in den mit den Schallwellen in Kontakt kommenden Bereichen Materialien angeordnet sind, die eine möglichst hohe akustische Impedanz aufweisen.Alternatively, it is possible to provide the sound wave generator as a separate component on an inner surface of the sensor tube, the barrier or the membrane. Again, the area in which the emitted sound waves strike an opposing surface is preferably designed as a reflector. In order to avoid energy losses in the sound wave, the barrier is at least partially designed as an acoustic resonator with a defined acoustic impedance. In the simplest case, the barrier is a screw which is connected to the sensor tube at a distance L via a thread. Of course, the barrier can also be welded to the sensor tube. The barrier may for example consist of stainless steel, of plastic or of a metal with a plastic coating. It is only important that in the areas coming into contact with the sound waves materials are arranged, which have the highest possible acoustic impedance.

Weiterhin wird im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass in dem Bereich, in dem die von dem Schallwellenerzeuger ausgesendeten Schallwellen auf eine gegenüberliegende Fläche des Sensorrohrs, der Membran oder der Barriere treffen, ein Schallwellenempfänger angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, über die Laufzeit der Schallwelle zwischen Schallwellenerzeuger und Schallwellenempfänger Information über die Temperatur zu erhalten. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass es sich bei dem Schallwellenerzeuger und dem Schallwellenempfänger um jeweils zumindest ein bevorzugt scheibenförmiges, piezoelektrisches Element handelt. Selbstverständlich ist auch bei dieser Variante zu beachten, dass es möglichst zu keiner Überlappung der Frequenzbänder kommt. Als Sende-/Empfangseinheit können alle bekannten Piezoantriebe eingesetzt werden.Furthermore, it is provided in connection with the device according to the invention that in the region in which the sound waves emitted by the sound wave generator impinge on an opposite surface of the sensor tube, the membrane or the barrier, a sound wave receiver is arranged. In this embodiment, it is possible to obtain information about the temperature over the duration of the sound wave between the sound wave generator and the sound wave receiver. An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the sound wave generator and the sound wave receiver are in each case at least one preferably disk-shaped piezoelectric element. Of course, it should also be noted in this variant that as far as possible no overlapping of the frequency bands occurs. As a transmitting / receiving unit, all known piezoelectric drives can be used.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung über die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit. Insbesondere wird während des Einsatzes der Vorrichtung in der Automatisierungstechnik die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Der aktuell gemessene Wert wird mit einem Wert der Schallgeschwindigkeit verglichen, der unter definierten Bedingungen ermittelt wurde. Prinzipiell gibt es zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit unter definierten Bedingungen zwei Methoden, die bevorzugt während der Fertigung angewendet werden:

• – die Dichte des in der Kavität eingeschlossenen gasförmigen Mediums wird durch Messung der Schallgeschwindigkeit bei definiertem Druck und definierter Temperatur bestimmt;
• – in die Kavität wird bei definiertem Druck und definierter Temperatur ein gasförmiges Medium einer definierten Dichte eingeschlossen. Bevorzugt handelt es sich um ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff. Stickstoff ist inert, kostengünstig, gesundheitlich unbedenklich und in den meisten Produktionsstätten sowieso vorhanden. Zudem hat Stickstoff auch unter Druck einen sehr niedrigen Siedepunkt. Für kryogene Anwendung wird allerdings Helium verwendet.

According to a preferred embodiment of the invention, the temperature is measured by the determination of the speed of sound. In particular, the speed of sound is determined during the use of the device in automation technology. The currently measured value is compared with a value of the sound velocity, which was determined under defined conditions. In principle, there are two methods for determining the speed of sound under defined conditions, which are preferably used during production:

• - The density of the enclosed in the cavity gaseous medium is determined by measuring the speed of sound at a defined pressure and temperature;
• - In the cavity at defined pressure and temperature a gaseous medium of a defined density is included. It is preferably an inert gas, in particular nitrogen. Nitrogen is inert, inexpensive, harmless to health and in most production facilities anyway available. In addition, nitrogen has a very low boiling point even under pressure. However, helium is used for cryogenic application.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:

1: einen Längsschnitt einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 FIG. 3: a longitudinal section of a first embodiment of the device according to the invention, FIG.

2: einen Längsschnitt einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und 2 a longitudinal section of a second embodiment of the device according to the invention and

3: einen Längsschnitt einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 3 : a longitudinal section of a third embodiment of the device according to the invention.

1 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums 9 in einem Behälter. Der vibronische Sensor 1 mit integrierter Temperaturmessung weist ein Sensorrohr 2 auf, das in einem der beiden Endbereiche gasdicht mit einer Membran 3 verschlossen ist. Im dargestellten Fall ist an der Außenfläche der Membran 3 ein Schwingelement 4 befestigt. Das Schwingelement 4 weist zwei Zinken 5 auf und hat die Form einer Stimmgabel. Schwingungen des schwingförmigen Gebildes aus Membran 3 und Schwingelement 4 werden über eine Sende-/Empfangseinheit 6 angeregt und empfangen. Eine Regel-/Auswerteeinheit 8 erkennt anhand der empfangenen Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes, oder sie ermittelt die Dichte bzw. die Viskosität des Mediums 9. 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of the inventive device for determining or monitoring a process variable, in particular a predetermined level, the density or the viscosity of a medium 9 in a container. The vibronic sensor 1 with integrated temperature measurement has a sensor tube 2 on, in one of the two end regions gas-tight with a membrane 3 is closed. In the case shown is on the outer surface of the membrane 3 a vibrating element 4 attached. The vibrating element 4 has two prongs 5 on and has the shape of a tuning fork. Vibrations of the oscillating structure made of membrane 3 and vibrating element 4 be via a transmitting / receiving unit 6 excited and received. A control / evaluation unit 8th recognizes the achievement based on the received vibrations the predetermined level, or it determines the density or viscosity of the medium 9 ,

In einem definierten Abstand L von der Membran 3 ist eine das Sensorrohr 2 gasdicht abschließende Barriere 7 vorgesehen. Der Abstand L ist so bemessen, dass sich unter Normalbedingungen in der Kavität 10 eine stehende Schallwelle mit einer definierten Schallfrequenz ausbildet. Die Barriere 7 ist zumindest in dem Bereich, in dem die Schallwellen auftreffen, als Schallwellenreflektor ausgestaltet. Das Material der Barriere 7 oder eine Beschichtung weist eine hohe Impedanz für Schallwellen auf. In der Barriere 7 ist eine gasdichte Durchführung 12 für die stilisiert dargestellten Verbindungsleitungen 13 vorgesehen. Bevorzugt ist die Durchführung 12 als Glasdurchführung ausgestaltet.At a defined distance L from the membrane 3 one is the sensor tube 2 gas-tight barrier 7 intended. The distance L is such that under normal conditions in the cavity 10 forms a standing sound wave with a defined sound frequency. The barrier 7 is configured as a sound wave reflector at least in the area where the sound waves impinge. The material of the barrier 7 or a coating has a high impedance for sound waves. In the barrier 7 is a gas-tight execution 12 for the stylized connecting cables 13 intended. The implementation is preferred 12 configured as a glass passage.

In der zwischen Membran 3 und Barriere 7 gebildeten Kavität 10 ist ein gasförmiges Medium 11 eingeschlossen, in dem sich Schallwellen unter Normalbedingungen p₀, T₀ mit einer definierten Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Realisiert wird dies, in dem entweder trockene Luft in das Gehäuse eingefüllt wird und die Schallgeschwindigkeit bei einer vorgegebenen Temperatur bestimmt wird, oder es wird ein Medium 11 mit bekannter Schallgeschwindigkeit unter definierten Bedingungen, z.B. unter Normalbedingungen in die Kavität 10 eingefüllt.In the between membrane 3 and barrier 7 formed cavity 10 is a gaseous medium 11 enclosed, in which sound waves propagate under normal conditions p ₀ , T ₀ with a defined speed of sound. This is realized by either introducing dry air into the housing and determining the speed of sound at a given temperature, or it becomes a medium 11 with known sound velocity under defined conditions, eg under normal conditions in the cavity 10 filled.

Bei der in 1 gezeigten Lösung ist die Sende-/Empfangseinheit 6 als scheibenförmiges piezoelektrisches Element 6a ausgestaltet, das an der Innenfläche der Membran 3 kraftschlüssig befestigt ist. Bevorzugt handelt es sich um diese sog. Einpiezo-Lösung mit einer flächig vollständigen Polarisierung. Allerdings kann auch ein Vier-Quadranten-Piezo oder ein Zwei-Elektroden-Piezo eingesetzt werden, wie er beispielsweise im LIQUIPHANT M, einem Produkt von Endress + Hauser eingesetzt wird. Das piezoelektrische Element 6a wird von der Regel-/Auswerteeinheit 8 so angeregt, dass sich in der Kavität 10 zumindest zeitweise eine Schallwelle ausbildet, die ein charakteristisches Schwingungsverhalten oder eine charakteristische Laufzeit aufweist. Anhand einer Änderung des charakteristischen Schwingungsverhaltens (z.B. einer stehenden Schallwelle) oder der charakteristischen Laufzeit der Schallwelle bezüglich definierter Referenzbedingungen wird die Temperatur T bestimmt.At the in 1 The solution shown is the transmitting / receiving unit 6 as a disk-shaped piezoelectric element 6a designed on the inner surface of the membrane 3 is attached non-positively. It is preferably this so-called Einpiezo solution with a full surface polarization. However, a four-quadrant piezo or a two-electrode piezo can also be used, as used for example in the LIQUIPHANT M, a product of Endress + Hauser. The piezoelectric element 6a is from the control / evaluation unit 8th so excited that in the cavity 10 at least temporarily forms a sound wave having a characteristic vibration behavior or a characteristic duration. Based on a change in the characteristic vibration behavior (eg a standing sound wave) or the characteristic duration of the sound wave with respect to defined reference conditions, the temperature T is determined.

Bevorzugt wird das piezoelektrische Element 6a zeitweise oder synchron zum Messbetrieb des vibronischen Sensors 1 mit einer Frequenz angeregt, die außerhalb des Frequenzbandes zur Schwingungsanregung von Membran 3 und Schwingelement 4 liegt. Die Regel/Auswerteeinheit 8 bestimmt die Temperatur T anhand einer Frequenzänderung der stehenden Welle. Bei dieser Ausgestaltung kann auf die in einem vibronischen Sensor 1 sowieso vorhandenen Komponenten zurückgegriffen werden. Konstruktive Änderungen an dem vibronischen Sensor 1 sind nicht erforderlich.The piezoelectric element is preferred 6a temporarily or synchronously with the measuring operation of the vibronic sensor 1 excited at a frequency outside the frequency band for vibrational excitation of membrane 3 and vibrating element 4 lies. The rule / evaluation unit 8th determines the temperature T based on a frequency change of the standing wave. In this embodiment, the in a vibronic sensor 1 anyway existing components are used. Design changes to the vibronic sensor 1 are not required.

Bevorzugt sind Sensorrohr 2, Membran 3, Schwingelement 4 und Barriere 7 aus Edelstahl gefertigt. Möglich ist es aber, die Komponenten aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, wenn sie denn die notwendige Stabilität oder Funktionalität erfüllen.Preferred are sensor tube 2 , Membrane 3 , Oscillating element 4 and barrier 7 made of stainless steel. But it is possible to manufacture the components from different materials, if they fulfill the necessary stability or functionality.

Insbesondere ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit 8, basierend auf der Gleichung:

mit dem Adiabatenkoeffizient κ, dem Druck p, der Gasdichte ρ, der universellen Gaskonstante R, der molaren Masse M des Gases und der absoluten Temperatur T, die Temperatur T nach der folgenden Formel bestimmt:

In particular, the control / evaluation unit determines 8th based on the equation:

with the adiabatic coefficient κ, the pressure p, the gas density ρ, the universal gas constant R, the molar mass M of the gas and the absolute temperature T, the temperature T is determined according to the following formula:

Während bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung das piezoelektrische Element 6a in der Doppelfunktion als Schwingungsanreger für den vibronischen Sensor 1 und als Schallwellenerzeuger für die Temperaturmessung agiert, ist bei der in 2 gezeigten Lösung für die Temperaturmessung ein separater Schallwellenerzeuger 6b vorgesehen. Der Schallwellenerzeuger 6b ist in 2a in Draufsicht zu sehen. Die erzeugten Schallwellen werden von einem gegenüberliegenden Flächenbereich der Barriere 7 reflektiert. Bei dieser Lösung ist eine simultane Bestimmung der Prozessgröße und der Temperatur fortlaufend möglich.While at the in 1 shown embodiment, the piezoelectric element 6a in the double function as vibration exciter for the vibronic sensor 1 and acts as a sound wave generator for the temperature measurement, is in the in 2 shown solution for the temperature measurement a separate sound wave generator 6b intended. The sound wave generator 6b is in 2a to be seen in plan view. The generated sound waves are from an opposite surface area of the barrier 7 reflected. In this solution, a simultaneous determination of the process variable and the temperature is continuously possible.

3 zeigt einen Längsschnitt einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Neben dem separaten Schallwellenerzeuger 6b ist ein separater Schallwellenempfänger 6c in einem gegenüberliegenden Auftreffbereich der Schallwellen an der Innenwandung des vibronischen Sensors 1 angeordnet. Im gezeigten Fall liegt der Auftreffbereich an der Barriere 7. Bevorzugt wird die Temperatur über die Laufzeit der Schallwelle zwischen den beiden Komponenten 6b, 6c ermittelt. Die Empfangs- und Sendefunktion der beiden Komponenten 6b, 6c können natürlich auch vertauscht sein. Weiterhin können beide Komponenten 6b, 6c als Schallwellen-Sender und -Empfänger agieren. 3 shows a longitudinal section of a third embodiment of the device according to the invention. In addition to the separate sound wave generator 6b is a separate sound wave receiver 6c in an opposite impact area of the sound waves on the inner wall of the vibronic sensor 1 arranged. In the case shown, the impact area is at the barrier 7 , The temperature is preferred over the duration of the sound wave between the two components 6b . 6c determined. The reception and transmission function of the two components 6b . 6c Of course, they can also be reversed. Furthermore, both components can 6b . 6c act as sound wave transmitter and receiver.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

vibronischer Sensor vibronic sensor

22

Sensorrohr sensor tube

33

Membran membrane

44

Schwingelement vibrating element

55

Gabelzinke forks

6a6a

Sende-/Empfangseinheit/piezoelektrisches Element Transceiver / piezoelectric element

6b6b

Schallwellenerzeuger/piezoelektrisches Element Sound wave generator / piezoelectric element

6c6c

Schallwellenempfänger/piezoelektrisches Element Sound wave receiver / piezoelectric element

77

Barriere barrier

88th

Regel-/Auswerteeinheit Control / evaluation unit

99

Medium medium

1010

Kavität cavity

1111

Medium in Kavität Medium in cavity

1212

Leitungsdurchführung Cable bushing

1313

Verbindungsleitung connecting line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102005044725 A1 [0002] DE 102005044725 A1 [0002]
• DE 102008050266 A1 [0006] DE 102008050266 A1 [0006]
• EP 0985916 A1 [0007] EP 0985916 A1 [0007]
• EP 1281051 B1 [0007] EP 1281051 B1 [0007]
• DE 102006007199 A1 [0012] DE 102006007199 A1 [0012]
• WO 2011/032793 A1 [0013] WO 2011/032793 A1 [0013]

Claims (11)

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums (9) in einem Behälter, mit einem Sensorrohr (2) und einer das Sensorrohr (2) in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran (3) oder mit einer das Sensorrohr (2) in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran (3), an deren Außenfläche ein Schwingelement (4) befestigt ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (6) vorgesehen ist, die die Membran (3) oder die Membran (3) mit dem Schwingelement (4) zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (8) vorgesehen ist, die anhand der empfangenen Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes erkennt oder die Dichte bzw. die Viskosität des Mediums ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem definierten Abstand (L) von der Membran (3) eine das Sensorrohr (2) gasdicht abschließende Barriere (7) vorgesehen ist, dass in der zwischen Membran (3) und Barriere (7) gebildeten Kavität (10) ein gasförmiges Medium (11) eingeschlossen ist, das unter Normalbedingungen (p₀, T₀) eine definierte Schallgeschwindigkeit (c) aufweist, dass ein Schallwellenerzeuger (6a) vorgesehen ist, der in der Kavität (10) zumindest zeitweise eine Schallwelle ausbildet, die ein charakteristisches Schwingungsverhalten oder eine charakteristische Laufzeit aufweist, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) anhand einer Änderung des charakteristischen Schwingungsverhaltens oder der charakteristischen Laufzeit der Schallwelle die Temperatur (T) bestimmt.Device for determining or monitoring a process variable, in particular a predetermined fill level, the density or the viscosity of a medium ( 9 ) in a container, with a sensor tube ( 2 ) and a sensor tube ( 2 ) in an end region gastight occluding membrane ( 3 ) or with a sensor tube ( 2 ) in an end region gastight occluding membrane ( 3 ), on whose outer surface a vibrating element ( 4 ), wherein a transmitting / receiving unit ( 6 ) is provided, the membrane ( 3 ) or the membrane ( 3 ) with the oscillating element ( 4 ) excites to vibrations and receives the vibrations, and wherein a control / evaluation unit ( 8th ) is provided, which detects on the basis of the received vibrations reaching the predetermined level or determines the density or the viscosity of the medium, characterized in that at a defined distance (L) from the membrane ( 3 ) one the sensor tube ( 2 ) gas-tight barrier ( 7 ) is provided that in between the membrane ( 3 ) and barrier ( 7 ) formed cavity ( 10 ) a gaseous medium ( 11 ), which under normal conditions (p ₀ , T ₀ ) has a defined sound velocity (c), that a sound wave generator ( 6a ) provided in the cavity ( 10 ) at least temporarily forms a sound wave having a characteristic vibration behavior or a characteristic transit time, and that the control / evaluation unit ( 8th ) determines the temperature (T) on the basis of a change in the characteristic vibration behavior or the characteristic duration of the sound wave. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (8), basierend auf der Gleichung:

mit dem Adiabatenkoeffizient κ, dem Druck p, der Gasdichte ρ, der universellen Gaskonstante R, der molaren Masse M des Gases und der absoluten Temperatur T, die Temperatur T nach der folgenden Formel bestimmt:

Apparatus according to claim 1, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ), based on the equation:

with the adiabatic coefficient κ, the pressure p, the gas density ρ, the universal gas constant R, the molar mass M of the gas and the absolute temperature T, the temperature T is determined according to the following formula:

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Sende-/Empfangseinheit (6) um einen piezoelektrischen Antrieb mit zumindest einem scheibenförmiger piezoelektrischen Element handelt, das an der Innenfläche der Membran (3) kraftschlüssig befestigt ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is in the transmitting / receiving unit ( 6 ) is a piezoelectric drive with at least one disc-shaped piezoelectric element, which on the inner surface of the membrane ( 3 ) is fixed non-positively. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) das zumindest eine piezoelektrische Element (6) zeitweise oder synchron mit einer Frequenz anregt, die außerhalb des Frequenzbandes zur Anregung der Schwingungen der Membran (3) oder der Membran (3) und des Schwingelements (4) liegt und die eine stehende Schallwelle zwischen der Membran (3) und der Barriere (7) ausbildet, so dass das piezoelektrische Element (6a) als Schwingungsanreger und als Schallwellenerzeuger agiert, und dass die Regel/Auswerteeinheit (8) die Temperatur (T) anhand einer Frequenzänderung der stehenden Welle bestimmt.Apparatus according to claim 3, characterized in that the control / evaluation unit ( 8th ) the at least one piezoelectric element ( 6 ) is stimulated temporarily or synchronously with a frequency outside the frequency band for excitation of the vibrations of the membrane ( 3 ) or the membrane ( 3 ) and the vibrating element ( 4 ) and the one standing sound wave between the membrane ( 3 ) and the barrier ( 7 ), so that the piezoelectric element ( 6a ) acts as a vibration exciter and as a sound wave generator, and that the control / evaluation unit ( 8th ) determines the temperature (T) based on a frequency change of the standing wave. Vorrichtung nach Anspruch zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere (7) zumindest teilweise als akustischer Resonator mit einer definierten akustischen Impedanz ausgestaltet ist.Device according to claim at least one of the preceding claims, characterized in that the barrier ( 7 ) is at least partially designed as an acoustic resonator with a defined acoustic impedance. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwellenerzeuger (6b) als separate Komponente an einer Innenfläche des Sensorrohrs (2), der Barriere (7) oder der Membran (3) vorgesehen ist, wobei der Bereich, in dem die ausgesendeten Schallwellen auf eine gegenüberliegende Fläche treffen, als Reflektor ausgestaltet ist.Device according to at least one of claims 1-4, characterized in that the sound wave generator ( 6b ) as a separate component on an inner surface of the sensor tube ( 2 ), the barrier ( 7 ) or the membrane ( 3 ) is provided, wherein the region in which the emitted sound waves strike an opposite surface is designed as a reflector. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich, in dem die von dem Schallwellenerzeuger (6b) ausgesendeten Schallwellen auf eine gegenüberliegende Fläche des Sensorrohrs (2), der Membran (3) oder der Barriere (7) treffen, ein Schallwellenempfänger (6c) angeordnet ist, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) anhand der Laufzeit der Schallwelle zwischen Schallwellenerzeuger (6b) und Schallwellenempfänger (6b) die Temperatur (T) bestimmt.Device according to at least one of claims 1-5, characterized in that in the area in which the of the sound wave generator ( 6b ) emitted sound waves on an opposite surface of the sensor tube ( 2 ), the membrane ( 3 ) or the barrier ( 7 ), a sound wave receiver ( 6c ), and that the control / evaluation unit ( 8th ) based on the transit time of the sound wave between sound wave generators ( 6b ) and sound wave receiver ( 6b ) determines the temperature (T). Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schallwellenerzeuger (6b) und dem Schallwellenempfänger (6c) um jeweils zumindest ein piezoelektrisches Element handelt.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that it is in the sound wave generator ( 6b ) and the sound wave receiver ( 6c ) is in each case at least one piezoelectric element. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen der Schwingungen der Membran (3) oder der Membran (3) mit Schwingelement (4) unterhalb von 18 KHz liegen und dass die Frequenzen der Schallwellen in einem Frequenzbereich oberhalb von 18 KHz, bevorzugt oberhalb von 20 KHz, liegen.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the frequencies of the vibrations of the membrane ( 3 ) or the membrane ( 3 ) with oscillating element ( 4 ) are below 18 KHz and that the frequencies of the sound waves are in a frequency range above 18 KHz, preferably above 20 KHz. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung wie sie in zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte (ρ) des in der Kavität (10) eingeschlossenen gasförmigen Mediums (11) beim Fertigungsprozess durch Messung der Schallgeschwindigkeit (c) bei definiertem Druck (p₀) und definierter Temperatur (T₀) bestimmt wird.Method for producing a device as in at least one of the preceding Claims, characterized in that the density (ρ) of the in the cavity ( 10 ) enclosed gaseous medium ( 11 ) is determined during the manufacturing process by measuring the speed of sound (c) at a defined pressure (p ₀ ) and a defined temperature (T ₀ ). Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung wie sie in zumindest einem der Ansprüche 1–9 beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fertigungsprozess in die Kavität (10) bei definiertem Druck (p₀) und definierter Temperatur (T₀) ein gasförmiges Medium (11) einer definierten Dichte (ρ) eingeschlossen wird.Method for producing a device as described in at least one of claims 1-9, characterized in that in the manufacturing process in the cavity ( 10 ) at defined pressure (p ₀ ) and defined temperature (T ₀ ) a gaseous medium ( 11 ) of a defined density (ρ) is included.

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