DE102019114174A1

DE102019114174A1 - Vibronischer Multisensor

Info

Publication number: DE102019114174A1
Application number: DE102019114174.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Brengartner; Sergey Lopatin; Dieter Waldhauser; Thomas Alber; Philipp Leufke; Markus Kilian; Rebecca PAGE; Alfred Rieder
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-03
Also published as: WO2020239329A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein, insbesondere computerimplementiertes Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium (M) mit einem Sensor (1) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), umfassend folgende Verfahrensschritte,- Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem ersten Anregesignal (11) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer ersten vorgebbaren Schwingungsmode (S1) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines ersten Empfangssignals (X1),- Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem zweiten Anregesignal (12) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer zweiten vorgebbaren Schwingungsmode (S2) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines zweiten Empfangssignals (X2),- Bestimmen einer ersten und zweiten charakteristischen Größe (f,A) des ersten (X1) und zweiten Empfangssignals (X2),- Bestimmen eines Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2), und- Generieren einer Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen anhand des Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f1,A1).

Description

Die Erfindung betrifft ein, insbesondere computerimplementiertes, Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit einem Sensor mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt. Bei dem Sensor handelt es sich um eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße des Mediums, insbesondere um einen vibronischen Sensor oder um ein nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitendes Feldgerät. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung. Die Prozessgröße wiederum ist beispielsweise ein, insbesondere vorgebbarer Füllstand, ein Durchfluss, die Dichte oder die Viskosität des Mediums.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 oder DE00102010030982A1 beschrieben.
Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen vorgegebenen Füllstand, oder auch um die Dichte oder die Viskosität des Mediums, sowie um den Durchfluss handeln. Bei einem vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also anhand einer Frequenzverschiebung, unterschieden.
Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sind ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt geworden, wie beispielswiese die in den Dokumenten DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder DE102016112743A1 offenbarten.
Bei nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitenden Messgeräten, welche beispielsweise zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses oder der Dichte dienen, wird als schwingfähige Einheit dagegen ein in einem Gehäusemodul schwingfähig gehaltertes mit einer Rohrleitung kommunizierendes Messrohr eingesetzt, welches zumindest zeitweise zu Schwingungen um eine statische Ruhelage, insbesondere Biegeschwingungen, angeregt wird. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind ebenfalls aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt und beispielsweise in der US-A 47 93 191 , der US-A 48 23 614 , der * US-A 48 31 885 , der US-A 56 02 345 , der US-A 2007/0151368 , der US-A 2010/0050783 , der WO-A 96/08697 , der WO-A 2009/120222 oder der WO-A 2009/120223 ausführlich und detailliert beschrieben.
Eine Problematik bei auf mechanischen Schwingungen basierenden Sensoren betrifft das Vorhandensein von Gasblasen in unterschiedlichen Medien. Gasblasen haben einen großen Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten. Entsprechend kann es zu einer ungewollten, nicht mit der jeweils betrachteten Prozessgröße in Zusammenhang stehenden, Veränderungen der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit und damit einhergehend zu verfälschten Messwerten für die jeweilige Prozessgröße kommen.
Für die Entstehung von Gasblasen in flüssigen Medien können unterschiedlichste Ursachen verantwortlich sein, wie ein Rühr- oder Pumpvorgang im Prozess, eine Ausgasung gelöster Luft nach einer Drucksenkung im Medium, oder auch eine Änderung der Medientemperatur. Besonders häufig kommt es in Süßwasser oder wässrigen Lösung zur Bildung von Gasblasen. Dabei spielen sowohl im Medium verteilte, also auch auf einer Oberfläche der jeweiligen Sensoreinheit des Sensors, welche die schwingfähige Einheit umfasst, abgeschiedene Gasblasen eine Rolle..
Aus der DE102015122661A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Ermitteln eines physikalischen Parameters einer mit Gas beladenen Flüssigkeit für ein nach dem Coriolis-Durchflussmessgerät bekannt geworden. Die schwingfähige Einheit wird in zwei unterschiedlichen Schwingungsmodi zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche unterschiedlich stark von innerhalb des Mediums vorhandenen Gasblasen abhängen. Aus dem Verhältnis der für die Dichte und/oder den Massendurchfluss berechneten Werte in den beiden Schwingungsmodi kann der Einfluss der Gasblasen auf die Messung ermittelt und korrigiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen Messbetrieb eines Sensors mit einer schwingfähigen Einheit im Falle einer Gasblasenbildung auf einfache Art und Weise zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, durch das Computerprogramm nach Anspruch 15 sowie das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit einem Sensor mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, umfassend folgende Verfahrensschritte:

- Anregen der schwingfähigen Einheit mit einem ersten Anregesignal zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit gemäß einer ersten vorgebbaren Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit, und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit in Form eines ersten Empfangssignals,
- Anregen der schwingfähigen Einheit mit einem zweiten Anregesignal zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit gemäß einer zweiten vorgebbaren Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit, und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit in Form eines zweiten Empfangssignals,
- Bestimmen einer ersten und zweiten charakteristischen Größe des ersten und zweiten Empfangssignals,
- Bestimmen eines Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe, und
- Generieren einer Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen anhand des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe.

Die schwingfähige Einheit ist Teil einer Sensoreinheit des Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums. Im Falle eines vibronischen Sensors handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit beispielsweise um einen Einstab oder um eine Schwinggabel. Im Falle eines Durchflussmessgeräts dagegen ist die schwingfähige Einheit gegeben durch ein Messrohr. Bei dem ersten und zweiten Anregesignal handelt es sich jeweils um ein elektrisches Signal mit einer vorgebbaren ersten bzw. zweiten Frequenz, insbesondere um ein sinusförmiges oder um ein rechteckförmiges Signal. Vorzugsweise wird die mechanisch schwingfähige Einheit zumindest zeitweise zu Resonanzschwingungen angeregt. Die mechanischen Schwingungen werden durch das die schwingfähige Einheit umgebende Medium beeinflusst, so dass anhand eines die Schwingungen repräsentierenden Empfangssignals Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften bzw. Prozessgrößen des Mediums möglich sind.
Das erste und das zweite Empfangssignal werden jedoch ebenfalls durch die Anwesenheit von Gasblasen beeinflusst. Da der Einfluss der Gasblasen auf das erste und zweite Empfangssignal jedoch unterschiedlich ist, kann anhand der Auswertung des Verhältnisses der beiden charakteristischen Größen der beiden Empfangssignale in den beiden unterschiedlichen Schwingungsmoden entsprechend eine Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen gemacht werden. Das Verfahren ist vorteilhaft sehr einfach umsetzbar. Es sind keine aufwendigen konstruktiven Maßnahmen oder weitere Sensoreinheiten notwendig. Vielmehr bedarf es lediglich der Anregung der schwingfähigen Einheit mit zwei unterschiedlichen Anregesignalen zur Erzeugung zweier unterschiedlicher Schwingungsmoden. Die beiden Schwingungsmoden können gleichzeitig, also einander überlagert, oder abwechselnd, insbesondere sequentiell, angeregt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der ersten Schwingungsmode um eine Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn die Massenverteilung, Steifigkeit und/oder Geometrie der schwingfähigen Einheit derart gewählt ist/sind, dass die Grundschwingungsmode bei einer Frequenz f₁<1,5 kHz liegt.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die zweite Schwingungsmode derart gewählt wird, dass die Schwingungen der schwingfähigen Einheit von der Bildung von Gasblasen im Bereich der mechanisch schwingfähigen Einheit beeinflusst werden. Die höhere Schwingungsmode wird demnach bewusst mit Hinblick auf die Detektion der Gasblasen ausgewählt. Eine Bestimmung und/oder Überwachung der jeweiligen Prozessgröße wird dann bevorzugt anhand einer anderen Schwingungsmode durchgeführt.
Bezüglich der zweiten Schwingungsmode ist es von Vorteil, wenn die höhere Schwingungsmode derart gewählt wird, dass die Frequenz der zweiten Schwingungsmode in einem Frequenzbereich liegt, in welchem eine Eigenfrequenz der Gasblasen liegt. Die Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz von Gasblasen hängt dabei unter anderem von den, insbesondere physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums und von der Blasengröße ab. Wird der Sensor bei Frequenzen betrieben, welche im Bereich der Resonanzfrequenz der jeweils auftretenden Gasblasen liegt, so wird die Schwingungsenergie des Sensors durch die Gasblasen absorbiert und eine Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit ist sehr stark gedämpft oder nicht mehr möglich.
Bevorzugt handelt es sich bei der zweiten Schwingungsmode um eine erste höhere Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass es sich bei der ersten und zweiten charakteristischen Größe des ersten und zweiten Empfangssignals um eine Frequenz, eine Amplitude, oder eine aus zumindest der Frequenz oder der Amplitude abgeleitete Größe handelt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass im Falle, dass das Verhältnis der ersten und zweiten charakteristischen Größe null beträgt, oder eine Steigung des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe als Funktion der Zeit einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, auf das Vorhandensein von Gasblasen geschlossen wird. Im Falle des Vorhandenseins von Gasblasen ist eine Anregung der schwingfähigen Einheit in einer durch die Gasblasen beeinflussten Schwingungsmode, beispielsweise der zweiten Schwingungsmode, nicht mehr möglich. Es kann keine Frequenz bzw. Amplitude für das entsprechende zweite Empfangssignal mehr detektiert werden.
Eine andere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass im Falle, dass das Verhältnis der ersten und zweiten charakteristischen Größe größer als null ist oder eine Steigung des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe als Funktion der Zeit einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet wird, darauf geschlossen wird, dass keine Gasblasen vorhanden sind.
Noch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass anhand des ersten Empfangssignals eine Prozessgröße des Mediums anhand des ersten Empfangssignals ermittelt wird. Bevorzugt handelt es sich bei der Prozessgröße um einen, insbesondere vorgebbaren, Füllstand, einen Durchfluss, die Dichte oder die Viskosität des Mediums. Insbesondere die Bestimmung der Dichte des Mediums zeigt eine empfindliche Abhängigkeit vom Vorhandensein von Gasblasen in der jeweiligen Flüssigkeit.
Es ist von Vorteil, wenn die Prozessgröße nur im Falle, dass keine Gasblasen vorhanden sind, ermittelt wird.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn während eines Zeitintervalls, in welchem Gasblasen vorhanden sind, ein zuletzt vor Entstehung der Gasblasen ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird, und/oder wobei während eines Zeitintervalls, in welchem keine Gasblasen mehr vorhanden sind, jeweils ein aktuell ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe eine Prozessüberwachung vorgenommen wird. Das Vorhandensein von Gasblasen kann in bestimmten Prozessen auch gewünscht und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht oder verifiziert werden.
So kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise vorteilhaft eine Gärung oder ein Desinfektionsprozess überwacht werden. Für derartige Prozesse ist das Vorhandensein von Gasblasen während einzelner Verfahrensschritte zwingend erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hier einerseits einen Aufschluss über das tatsächliche Vorhandensein der Gasblasen geben. Darüber hinaus kann auch ein Zeitpunkt ermittelt werden, zu welchem keine Gasblasen mehr vorhanden sind. Anhand dieses Zeitpunkts können dann beispielsweise weitere Prozessschritte eingeleitet oder Prozessgrößen des Mediums bestimmt und/oder überwacht werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.
Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Computerprogramm und das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt anwendbar sind und umgekehrt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Skizze eines (a) vibronischen Sensors und (b) eines nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitendes Feldgerät gemäß Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung des Einflusses von Gasblasen auf das Empfangssignal,
3 Diagramme der Frequenz des ersten und zweiten Empfangssignals sowie des Verhältnisses der ersten und zweiten Frequenz je als Funktion der Zeit, und
4 Diagramme der Amplitude des ersten und zweiten Empfangssignals sowie des Verhältnisses der ersten und zweiten Amplitude je als Funktion der Zeit.

In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
1a zeigt einen vibronischen Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 2 mit einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche insbesondere zur Bestimmung und/oder Überwachung eines, insbesondere vorgebbaren, Füllstands, der Dichte und/oder der Viskosität des Mediums eingesetzt werden. Die mechanisch schwingfähige Einheit 4 taucht teilweise in ein Medium M ein, welches sich in einem Behälter 3 befindet, und wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb sein kann. Andere vibronische Sensoren verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten 5. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die Signalerfassung, - auswertung und/oder -speisung erfolgt.
In 1b wiederum ist ein Coriolis-Messgerät 1 gemäß Stand der Technik dargestellt, welches beispielhaft über zwei Messrohre 7a, 7b, ein Gehäusemodul 8 mit einem Träger 9 und einer Verschalung 10 sowie einen einlassseitigen 11a und auslassseitigen Prozessanschluss 11b verfügt. Andere Ausgestaltungen gattungsgemäßer Feldgeräte verfügen über andere Anzahlen von Messrohren 7. Mittels der beiden Prozessanschlüsse 11a, 11b kann das Feldgerät 1 in eine bestehende Rohrleitung integriert werden, welche hier der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Der Träger 4 ist in Form eines seitlich zumindest teilweise offenen, insb. rohrförmigen Tragzylinders ausgebildet und mit den beiden Messrohren 7a, 7b verbunden. Die Messrohre 7a, 7b sind außerdem von der Verschalung 10 umgeben. In der Regel ist an dem Träger 9 ferner ein hier nicht dargestelltes Halsrohr zur Verbindung einer Elektronikeinheit 6 angebracht, welche beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung, und -speisung dient.
Im Bereich des einlassseitigen 11a und auslassseitigen Prozessanschlusses 11b sind ein einlassseitiges und ein auslassseitiges (nicht sichtbar) Verteilerstück integriert, welche Verteilerstücke mit dem Träger 9 und mit den beiden Messrohren 7a, 7b mechanisch verbunden sind, und welche das strömende Medium M aus der Rohrleitung (nicht sichtbar) auf die beiden Messrohre 7a,7b verteilen. Die beiden Messrohre 7a, 7b sind weiteren mittels mehrerer Koppelelemente (10; hier ist nur eines markiert) mechanisch miteinander gekoppelt.
Jedes der beiden Messrohre 9a,9b führt im Betrieb mechanische Schwingungen aus. Ferner ist mindestens eine auf mindestens ein Messrohr 9a,9b einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung (hier nicht sichtbar) zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen der Messrohres 11a, 11b dargestellt, sowie mindestens eine auf Schwingungen der Messrohre 11a, 11b reagierende Vibrationssensoranordnung (ebenfalls nicht sichtbar) zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen der Messrohre repräsentierenden Schwingungsmesssignals.
Gasblasen in einem flüssigen Medium haben einen großen Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Daraus resultiert, dass Gasblasen ebenfalls einen großen Einfluss auf das die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 charakterisierende Empfangssignal X haben, wie in 2 für den Fall eines vibronischen Sensors illustriert. Dargestellt ist die Frequenzänderung Δf/f₁ als Funktion der Frequenz f für Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 beispielsweise in der Grundschwingungsmode. Die Frequenz f₁ in der Grundschwingungsmode hängt von der Dichte ρ der Flüssigkeit M ab. Im Falle, dass es sich um eine newtonsche Flüssigkeit ohne Gasblasen handelt, gilt für die Frequenzänderung Δf/ f_1,vac beispielsweise: $\frac{Δ f}{f_{1, v a c}} = \sqrt{\frac{1}{1 + S \cdot ρ} - 1} .$
Dabei ist f_1,vac die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 4 in der Grundschwingungsmode im Vakuum bzw. an Luft und S ist die von der Geometrie der schwingfähigen Einheit 4 abhängige Empfindlichkeit der schwingfähigen Einheit 4.
Im Falle der 2 taucht dieselbe schwingfähigen Einheit 4 nun zweimal in dasselbe Medium M ein, wobei in einem ersten Fall in dem Medium M Gasblasen vorhanden sind (Quadrate) und im zweiten Fall keine Gasblasen vorhanden sind (Dreiecke). Bei dem Medium M handelt es sich für das vorliegend gezeigte Beispiel um Wasser. Während für Frequenzen f<fp die Frequenzänderung für beide Fälle gleich ist, kommt es für Frequenzen f>f_P zu deutlichen Abweichungen. Die Frequenzänderung für den Fall des Vorhandenseins von Gasblasen ist deutlich größer als die Frequenzänderung für dasselbe Medium M ohne Gasblasen. Die Frequenz fp beschreibt eine kritische Grenzfrequenz, ab welcher das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Einheit 4 durch die Anwesenheit der Gasblasen beeinflusst wird. Wird der Sensor bei Frequenzen betrieben f>fp, insbesondere bei Frequenzen, welche im Bereich der Eigenfrequenz der jeweils auftretenden Gasblasen liegen, so wird die Schwingungsenergie des Sensors 1 durch die Gasblasen absorbiert und eine Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit 4 ist nicht mehr möglich.
Für den Fall von Medien in Form von wässrigen Lösungen kann die Eigenfrequenz f_G von Gasblasen beispielsweise nach der folgenden Gleichung berechnet werden: $f_{G} = \frac{1}{2 π α} {(\frac{3 γ p_{A}}{ρ})}^{\frac{1}{2}}$
Dabei ist a der Radius der Gasblasen, γ der polytropische Koeffizient, p_A der Prozessdruck und ρ die Dichte der Flüssigkeit. Für einen Druck p_A=1bar ergibt sich eine Frequenz der Gasblasen f_G=6520/D Hz, wobei D der Durchmesser der Gasblasen in Millimetern ist. Wird der Sensor bei Frequenzen betrieben, welche im Bereich der Resonanzfrequenz der jeweils auftretenden Gasblasen liegt, so wird die Schwingungsenergie des Sensors durch die Gasblasen absorbiert und eine Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit ist sehr schwach oder nicht mehr möglich.
Die jeweils maximale Gasblasengröße in Wasser ist abhängig von der archimedischen Kraft, welche die Blasen aus der Flüssigkeit austreibt, und von der Haftung der Gasblasen auf der Oberfläche der Sensoreinheit 2, insbesondere der schwingfähigen Einheit 4. Bei einem Prozessdruck p_A=1bar weisen Gasblasen in der Regel einen Durchmesser d von 2-3mm auf, bevor sie von der Oberfläche der Sensoreinheit 2 abgelöst werden. Für diesen Anwendungsfall ist also ein Betrieb eines Sensors 1 bei Frequenzen f<2kHz ungestört möglich. Für Frequenzen f>2kHz dagegen besteht eine erhebliche Beeinflussung durch die Gasblasen.
Im Falle, dass mittels des Sensors 1 die Dichte ρ des Mediums M bestimmt werden soll, ist die Anwesenheit von Gasblasen besonders kritisch. Bei einer Varianz der Schwingfrequenz f infolge von Gasblasen um 1-2% kommt es bereits zu einem gasblaseninduzierten Messfehler von ca. 10%. Eine derartige Größenordnung für den Messfehler ist jedoch im Bereich der Dichtebestimmung in der Prozessmesstechnik nicht akzeptabel.
Analoge Überlegungen gelten für den Fall eines Coriolis-Messgeräts 1 mit einem Messrohr 7 als schwingfähiger Einheit
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nun die zuverlässige Detektion von Gasblasen in flüssigen Medien. Dazu wird die schwingfähige Einheit 4,7 mittels zweier verschiedener Anregesignale I1 und I2 in zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden S1 und S2 angeregt. Für jedes der beiden Empfangssignale X1 und X2 wird dann jeweils eine charakteristische Größe ermittelt und anhand des Verhältnisses V der charakteristischen Größen eine Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen gemacht.
Zwei mögliche beispielhafte Ausgestaltungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind in den Figuren 3 und 4 illustriert.
Im Falle der 3 ist die charakteristische Größe der Empfangssignale X1 und X2 jeweils durch die Frequenz f1 und f2 gegeben. Die erste Schwingungsmode S1 ist also die Grundschwingungsmode mit der Frequenz f1 und die zweite Schwingungsmode S2 ist die erste höhere Schwingungsmode mit der Frequenz f2.
Für das gezeigte Beispiel ist die schwingfähige Einheit 4,7 derart ausgelegt, dass die Grundschwingungsmode bei einer Eigenfrequenz f_1,vac< 1,5 kHz liegt und die erste höhere Schwingungsmode bei einer Eigenfrequenz f_2,vac~9f_1,vac. Auf diese Weise können Gasblasen mit Durchmessern d>0,5mm sicher detektiert werden.
3a zeigt die erste Frequenz f₁ des ersten Empfangssignals X1 als Funktion der Zeit t, wobei f_1,vac=1000Hz, und wobei es sich bei dem Medium M um frisches Süßwasser handelt. Im Medium M werden mit zunehmender Zeit Luftblasen auf der schwingfähigen Einheit 4,7 abgeschieden. Erreichen die Luftblasen eine bestimmte Größe, so werden sie von der Oberfläche der schwingfähigen Einheit 4,7 abgelöst. Hierdurch kommt es zu einer gasblaseninduzierten Verringerung der ersten Frequenz f₁ von 752Hz auf 744Hz. Nachdem die Gasblasen aus dem Medium M ausgetreten sind (ca. 14h) steigt die erste Frequenz f₁ wieder auf den ursprünglichen, dem in das Medium M eingetauchten Zustand entsprechenden, Wert von 752 Hz, den sie nach einem Zeitraum von Δt=14h erreicht.
Der Verlauf der zweiten Frequenz f₂ des zweiten Empfangssignals X2 ist, ebenfalls als Funktion der Zeit t, in 3b dargestellt. Die Gasblasen führen zeitweilig zu einem Einbrechen bzw. zu einer starken Dämpfung der Schwingungen in der zweiten Schwingungsmode. Die bloße Anwesenheit der zweiten Schwingungsmode als Kriterium für das Vorhandensein von Gasblasen ist jedoch nicht zuverlässig. Für den Zeitraum Δt=4h-14h kann die schwingfähige Einheit 4,7 zwar in der zweiten Schwingungsmode S2 angeregt werden; jedoch ist hier jeweils zur gleichen Zeit noch eine Verringerung der ersten Frequenz f₁ in der ersten Schwingungsmode S1 gegenüber dem Fall ohne Gasblasen festzustellen, so dass eine Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße anhand der ersten Schwingungsmode S1 noch nicht zuverlässig möglich ist. Eine zuverlässige Bestimmung einer Prozessgröße ist vielmehr erst nach einem Zeitraum Δt=14h möglich.
Eine zuverlässigere Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen wird möglich durch Betrachtung des Verhältnisses V der beiden Frequenzen f₁ und f₂ , wie in 3c gezeigt. Im Zeitraum Δt=4h-14h ist das Verhältnis V der ersten f₁ und zweiten Frequenz f2 zuerst null und weist dann eine erhebliche Steigung auf. Erst nach einem Zeitraum von Δt=14h flacht die Steigung des Verhältnisses V ab, und konvergiert zu einem konstanten Wert V>0.
Die gleichen Überlegungen lassen sich auf den Fall, dass anstelle der Frequenz f als charakteristische Größe die Amplitude A verwendet wird, übertragen. Dieser Fall ist beispielhaft für die gleiche Anwendung eines in frisches Süßwasser eintauchenden Sensors 1 in 4 dargestellt.
4a zeigt die erste Amplitude A₁ des ersten Empfangssignals X1 als Funktion der Zeit t. Es kommt zu einer vorrübergehenden, gasblaseninduzierten Verringerung der ersten Amplitude A₁ . Nach Δt=14h hat die erste Amplitude A₁ ihren ursprünglichen Wert, welcher der Abwesenheit von Gasblasen entspricht, wieder erreicht. Die zweite Amplitude A₂ dagegen (4b) bricht zeitweilig ein bzw. wird stark gedämpft. Erst anhand des Verhältnisses V der ersten A₁ und zweiten Amplitude A₂ können Gasblasen im Medium M zuverlässig detektiert werden, wie in 4c illustriert. Im Zeitraum Δt=4h-14h ist das Verhältnis V der ersten A₁ und zweiten Amplitude A₂ zuerst null und weist dann eine erhebliche Steigung auf. Erst nach einem Zeitraum von Δt=14h flacht die Steigung des Verhältnisses V ab und konvergiert auf einen konstanten Wert zu.
Für den Fall der 4 sei angenommen, dass die Amplituden des ersten und zweiten Anregesignals I1 und I2 jeweils konstant gehalten werden. Alternativ wäre es ebenfalls denkbar, die Amplituden A₁ und A₂ der beiden Empfangssignale X1 und X2 konstant zu halten. In diesem Falle bietet sich eine Auswertung des Verhältnisses V der Amplituden der beiden Anregesignale I1 und I2 an. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Auswertung einer normierten Amplitude A_nor=X/I, welche sich aus dem Quotienten der Amplituden des Empfangssignals X und des Anregesignals I ergibt. Die Verwendung einer normierten Amplitude ist vorteilhaft unabhängig von der Amplitude der jeweils verwendeten Anregesignale I1 und 12.
Bezugszeichenliste

1: Vibronischer Sensor
2: Sensoreinheit
3: Behälter
4: Schwingfähige Einheit eines vibronischen Sensors
5: Antriebs-/Empfangseinheit
6: Elektronikeinheit
7,7a, 7b: schwingfähige Einheit eines Coriolis-Messgeräts
8: Gehäusemodul
9: Träger
10: Verschalung
11a,11b: Prozessanschlüsse
M: Medium
S1,S2: Schwingungsmoden
1,11,12: Anregesignale
X,X1,X1: Empfangssignale
f₁, f₂: erste, zweite Frequenz
A₁, A₂: erste, zweite Amplitude
f_G: Eigenfrequenz der Gasblasen
f_P: kritische Frequenz
ρ: Dichte des Mediums
V: Verhältnis
t: Zeit
S: Empfindlichkeit
d: Durchmesser der Gasblasen
a: Radius der Gasblasen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102007013557 A1 [0003]
DE 102005015547 A1 [0003]
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DE 102015102834 A1 [0005]
DE 102016112743 A1 [0005]
US 4793191 A [0006]
US 4823614 A [0006]
US 4831885 A [0006]
US 5602345 A [0006]
US 2007/0151368 A [0006]
US 2010/0050783 A [0006]
WO 96/08697 A [0006]
WO 2009/120222 A [0006]
WO 2009/120223 A [0006]
DE 102015122661 A1 [0009]

Claims

Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium (M) mit einem Sensor (1) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), umfassend folgende Verfahrensschritte, - Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem ersten Anregesignal (11) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer ersten vorgebbaren Schwingungsmode (S1) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines ersten Empfangssignals (X1), - Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem zweiten Anregesignal (12) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer zweiten vorgebbaren Schwingungsmode (S2) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines zweiten Empfangssignals (X2), - Bestimmen einer ersten und zweiten charakteristischen Größe (f,A) des ersten (X1) und zweiten Empfangssignals (X2), - Bestimmen eines Verhältnisses (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₂,A₂), und - Generieren einer Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen anhand des Verhältnisses (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₁,A₁).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der ersten Schwingungsmode (S1) um eine Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit (4) handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Massenverteilung, Steifigkeit und/oder Geometrie der schwingfähigen Einheit (4) derart gewählt ist/sind, dass die Grundschwingungsmode (S1) bei einer Frequenz f₁<1,5 kHz liegt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Schwingungsmode (S2) derart gewählt wird, dass die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) von der Bildung von Gasblasen im Bereich der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) beeinflusst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Schwingungsmode (S2) derart gewählt wird, dass die Frequenz (f2) der zweiten Schwingungsmode (S2) in einem Frequenzbereich liegt, in welchem eine Gasblasen-Eigenfrequenz (f_G) der Gasblasen liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei es sich bei der zweiten Schwingungsmode (S2) um eine erste höhere Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit (4) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der charakteristischen Größe (f,A) des ersten (X1) und zweiten Empfangssignals (X2) um eine Frequenz (f), eine Amplitude (A), oder eine aus zumindest der Frequenz (f) oder der Amplitude (A) abgeleitete Größe handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Falle, dass das Verhältnis (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₂,A₂) null beträgt, oder eine Steigung des Verhältnisses (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₂,A₂) als Funktion der Zeit (t) einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, auf das Vorhandensein von Gasblasen geschlossen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-7, wobei im Falle, dass das Verhältnis (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₂,A₂) größer als null ist oder eine Steigung des Verhältnisses (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₂,A₂) als Funktion der Zeit (t) einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet wird, darauf geschlossen wird, dass keine Gasblasen vorhanden sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des ersten Empfangssignals (X1) eine Prozessgröße des Mediums (M) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prozessgröße nur im Falle, dass keine Gasblasen vorhanden sind, ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei während eines Zeitintervalls, in welchem Gasblasen vorhanden sind, ein zuletzt vor Entstehung der Gasblasen ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird, und/oder wobei während eines Zeitintervalls, in welchem keine Gasblasen mehr vorhanden sind, jeweils ein aktuell ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des Verhältnisses (V) der ersten (f₁,A₁) und zweiten charakteristischen Größe (f₁,A₁) eine Prozessüberwachung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Gärung oder ein Desinfektionsprozess überwacht wird.
Computerprogramm zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 14 und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.