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- a unit capable of vibrating mechanically (4),
- a drive/reception unit (5) designed to excite the unit capable of vibrating mechanically (4) to perform mechanical vibrations by means of an electrical excitation signal (U A ), and to receive and convert the mechanical vibrations to an electrical reception signal (U E ),
∘ generate the excitation signal (U A ) on the basis of the reception signal (U E ),
∘ set a predefinable phase shift (ΔΦ) between the excitation signal (U A ) and the reception signal (U E ), and
∘ determine and/or monitor the at least one process variable from the reception signal (U E ),
∘ determine a phase correction value (ΔΦ kor ) from at least one characteristic variable, which depends on at least a process parameter, at least of a component of the apparatus (1), particularly the drive/reception unit (5),
and
∘ set the predefinable phase shift (ΔΦ) in line with the phase correction value (ΔΦ kor ),
Apparatus as claimed in Claim 1,
characterized in that
the drive/reception unit (5) comprises at least a piezoelectric element (C AE ) or at least a coil.
Apparatus as claimed in at least one of the previous claims,
characterized in that
the at least one process parameter is defined by the process temperature (T) or by the process pressure (P).
Apparatus as claimed in at least one of the previous claims,
characterized in that
the phase correction unit (7) has at least a reference branch (8), wherein said reference branch (8) comprises at least an electric component (C ref ) which is switched in parallel with at least a component of the apparatus, particularly the drive/reception unit, and can be exposed to the excitation signal.
Apparatus as claimed in Claim 4,
characterized in that
the reference branch (8) comprises at least a reference capacitance (C ref ) or a reference inductance.
Apparatus as claimed in Claim 5,
characterized in that
the reference capacitance (C ref ) and at least a capacitance (C AE ) of the drive/reception unit or the reference inductance and at least an inductance of the drive/reception unit have the same value.
Apparatus as claimed in at least one of the Claims 4 to 6,
characterized in that
the reference branch (7) comprises at least a reference resistance (R ref ), which is particularly switched in series to the at least one electric component (C ref ).
Apparatus as claimed in at least one of the previous claims,
characterized in that
the phase correction unit (7) comprises at least a time measurement unit (13).
Apparatus as claimed in Claim 8,
characterized in that
the time measurement unit (13) comprises at least a timer module or at least an XOR unit (13a) and at least a counter (13b).
Apparatus as claimed in Claim 8 or 9 and 4,
characterized in that
the time measurement unit (13) comprises a switching element (12), and in that the electronic unit (6) is designed to transmit, by means of the switching element (12), a reference signal (U ref ) of the reference branch (8) in a first time interval, and a process signal (U Proz ) in a second time interval, from the at least one component of the apparatus (1) to the time measurement unit (13).
Apparatus as claimed in at least one of the previous claims,
characterized in that
an explosion protection circuit (15) is provided.
- wherein a unit capable of vibrating mechanically (4) is excited to perform mechanical vibrations by means of an excitation signal (U A ), wherein the mechanical vibrations of the unit capable of vibrating mechanically are received and converted to an electrical reception signal (U E ),
- wherein the excitation signal (U A ) is generated from the reception signal (U E ),
- wherein a predefinable phase shift (ΔΦ) is set between the excitation signal (U A ) and the reception signal (U E )
- wherein the at least one process variable is determined and/or monitored from the reception signal (U E ),
- wherein a phase correction value (ΔΦ kor ) is determined from at least a characteristic variable depending on at least a process parameter,
- wherein the characteristic variable is defined by at least a capacitance (C AE ) or an inductance, which depends on at least a process parameter, of at least a component of the drive/reception unit (5) or by at least a time constant (T proz , T ref ) that depends on at least one process parameter,
and
- in that the predefinable phase shift (ΔΦ) is set depending on the phase correction value (ΔΦ kor ).
Procedure as claimed in Claim 12,
characterized in that
a first time constant (τ proz ), which depends on at least one process parameter, is determined as a characteristic variable, a second time constant (τ ref ), which is independent of the at least one process parameter, is determined on the basis of a reference signal (U ref ), and in that the phase correction value (ΔΦ kor ) is determined from a comparison of the first (τ proz ) and the second time constant (τ ref ).
Procedure as claimed in at least one of the Claims 12 or 13,
characterized in that
the process temperature (T) is determined from at least a capacitance (C AE ) or an inductance, depending on the process temperature (T) and/or the process pressure (P), of at least a component of the drive/reception unit (5).
Procedure as claimed in at least one of the Claims 12 to 14,
characterized in that
at least a capacitance (C AE ) or an inductance, depending on the process temperature (T) and/or the process pressure (P), of at least a component of the drive/reception unit (5) implies a short-circuit or a shunt.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums. Bei der Vorrichtung handelt es sich um einen vibronischen Sensor und bei der zumindest einen Prozessgröße beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, die Dichte und/oder Viskosität des Mediums. The invention relates to a device and a method for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium. The device is a vibronic sensor and the at least one process variable is, for example, a fill level, a flow rate, the density and / or viscosity of the medium.


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. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät. Vibronic sensors are widely used in process and / or automation technology. In the case of fill level measuring devices, they have at least one mechanically oscillatable unit, such as an oscillating fork, a single rod or a membrane. During operation, this is excited to mechanical vibrations by means of a drive / receiver unit, often in the form of an electromechanical converter unit, which in turn can be, for example, a piezoelectric drive or an electromagnetic drive. In the case of flow measuring devices, the mechanically oscillatable unit can also be designed as an oscillatable pipe through which the respective medium flows, such as in a measuring device operating according to the Coriolis principle.


Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher die Summe aller Verstärkungen im Schwingkreis, bzw. der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Corresponding field devices are manufactured by the applicant in great variety and, in the case of level measuring devices, are sold under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT, for example. The underlying measurement principles are known in principle from a large number of publications. The drive / receiver unit stimulates the mechanically oscillatable unit to produce mechanical oscillations by means of an electrical excitation signal. Conversely, the drive / receiver unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically vibratable unit and convert them into an electrical received signal. The drive / receiver unit is accordingly either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive / receiver unit. In many cases, the drive / receiver unit is part of a feedback electrical oscillating circuit, by means of which the mechanically oscillatable unit is excited into mechanical oscillations. For example, for a resonant oscillation, the resonant circuit condition, according to which the sum of all amplifications in the resonant circuit or the gain factor is ≥1 and all phases occurring in the resonant circuit result in a multiple of 360 °, must be fulfilled.


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. Prinzipiell kann die Einstellung der Phasenverschiebung beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Filters vorgenommen werden, oder auch mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt werden. Aus der DE102006034105A1 ist beispielsweise bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der DE102007013557A1 beschrieben. Die DE102005015547A1 schlägt die Verwendung eines Allpass-Filters vor. Die Einstellung der Phasenverschiebung ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs möglich, wie beispielsweise in der der DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , und DE102010030982A1 offenbart. Die Phasenverschiebung kann aber auch mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase-Locked-Loop, PLL) auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden. Ein hierauf basierendes Anregungsverfahren ist Gegenstand der DE102010030982A1 . A certain phase shift between the excitation signal and the received signal must be guaranteed to excite and fulfill the resonant circuit condition. For this reason, there is often a prescribable value for the phase shift, that is to say a setpoint value for the phase shift set between the excitation signal and the received signal. A wide variety of solutions, both analog and digital methods, have become known for this from the prior art. In principle, the phase shift can be set, for example, by using a suitable filter, or it can be regulated to a predefinable phase shift, the setpoint value, by means of a control loop. From the DE102006034105A1 For example, it has become known to use an adjustable phase shifter. The additional integration of an amplifier with an adjustable gain factor for additional regulation of the oscillation amplitude was, however, in the DE102007013557A1 described. The DE102005015547A1 suggests the use of an all-pass filter. The phase shift can also be set by means of a so-called frequency search, for example in the DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , and DE102010030982A1 disclosed. The phase shift can, however, also be regulated to a predefinable value by means of a phase-locked loop (PLL). An excitation method based on this is the subject of DE102010030982A1 .


Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz f, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße, wie einem vorgegebenen Füllstand, eines Durchflusses, der Dichte und/oder der Viskosität, herangezogen. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, bei Vorliegen einer vorgebbaren Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal unterschieden. Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Both the excitation signal and the received signal are characterized by their frequency f, amplitude A and / or phase Φ. Correspondingly, changes in these variables are usually used to determine the respective process variable, such as a specified fill level, a flow rate, the density and / or the viscosity. In the case of a vibronic point level switch for liquids, a distinction is made, for example, between whether the oscillatable unit is covered by the liquid or whether it oscillates freely. These two states, the free state and the covered state, are distinguished, for example, on the basis of different resonance frequencies, that is to say a frequency shift, when there is a predefinable phase shift between the excitation signal and the received signal. The density and / or viscosity, in turn, can only be determined with such a measuring device if the oscillatable unit is covered by the medium.


Zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte eines Mediums sind aus der DE10057974A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bekannt geworden, mittels welcher/welchem der Einfluss von zumindest einer Störgröße, beispielswese der Viskosität, auf die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit zu ermittelt und entsprechend kompensiert wird. In der DE102006033819A1 ist ferner beschrieben, eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal einzustellen, bei welcher Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vernachlässigbar sind. Dabei wird die Dichte im Wesentlichen nach der Formel ρ Med = 1 K f 0 . Vak + C ⋅ t + A ⋅ t 2 f T . P . Med 2 ⋅ 1 + D ⋅ p − 1

Die Viskosität eines Mediums mittels eines vibronischen Sensors kann wiederum anhand der Frequenz-Phase-Kurve (Φ=g(f)) bestimmt werden, wie beispielweise in der DE10050299A1 beschrieben. Dieses Vorgehen basiert auf der Abhängigkeit der Dämpfung der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums. Dabei gilt, dass je geringer die Viskosität ist, desto steiler fällt die Frequenz-Phase-Kurve ab. Um den Einfluss der Dichte auf die Messung zu eliminieren, wird die Viskosität anhand einer durch zwei unterschiedliche Werte für die Phase verursachten Frequenzänderung bestimmt, also mittels einer Relativmessung. Dazu können entweder zwei unterschiedliche Phasenwerte eingestellt und die zugehörige Frequenzänderung bestimmt werden, oder es wird ein vorgegebenes Frequenzband durchfahren und festgestellt, wenn zumindest zwei vorgegebene Phasenwerte erreicht werden. The viscosity of a medium by means of a vibronic sensor can in turn be determined on the basis of the frequency-phase curve (Φ = g (f)), for example in FIG DE10050299A1 described. This procedure is based on the dependency of the damping of the oscillatable unit on the viscosity of the respective medium. The rule here is that the lower the viscosity, the steeper the frequency-phase curve falls. In order to eliminate the influence of density on the measurement, the viscosity is determined using a frequency change caused by two different values for the phase, i.e. using a relative measurement. For this purpose, either two different phase values can be set and the associated frequency change can be determined, or a predefined frequency band is passed through and it is established when at least two predefined phase values are reached.


Aus der DE102007043811A1 ist darüber hinaus bekannt geworden, aus einer Änderung der Eigenfrequenz und/oder Resonanzfrequenz und/oder der Phasenlage auf eine Änderung der Viskosität zu schließen und/oder aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums die Viskosität zu bestimmen. Auch bei diesem Vorgehen muss die Abhängigkeit der Bestimmung der Viskosität von der Dichte des Mediums berücksichtigt werden. From the DE102007043811A1 has also become known to deduce a change in viscosity from a change in the natural frequency and / or resonance frequency and / or the phase position and / or to determine the viscosity based on the correspondingly stored dependencies of the oscillations of the oscillatable unit on the viscosity of the respective medium. With this procedure, too, the dependence of the determination of the viscosity on the density of the medium must be taken into account.


Im Falle jeder der Prozessgrößen Füllstand, Dichte und Viskosität hängt also die Bestimmung in der Regel direkt mit der Einstellung einer vorgebbaren Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal zusammen. Damit hängt auch die Messgenauigkeit eines entsprechenden Messgeräts mit der Einstellgenauigkeit der Phasenverschiebung zusammen. Dies gilt insbesondere und in besonders hohem Maße für den Fall der Bestimmung der Viskosität und/oder Dichte, deren zuverlässige Bestimmung eine Phaseneinstellgenauigkeit von etwa 1° erfordert. In the case of each of the process variables level, density and viscosity, the determination is therefore usually directly related to the setting of a predeterminable phase shift between the excitation signal and the received signal. The measuring accuracy of a corresponding measuring device is thus also related to the setting accuracy of the phase shift. This applies in particular and to a particularly high degree to the case of determining the viscosity and / or density, the reliable determination of which requires a phase setting accuracy of approximately 1 °.


Aus der WO2004/018974A2 ist ein vibronischer Sensor bekannt geword
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