DE102005024134A1

DE102005024134A1 - Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102005024134A1
Application number: DE102005024134A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Andreas Berger; Frank Wandeler
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US8156792B2; WO2006125722A1; RU2007147930A; DK1883791T3; CN100580386C; EP1883791A1; RU2386928C2; EP1883791B1; US20090211347A1; CN101228416A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, wobei ein zeitlich begrenztes Anregungssignal (U(t)), das durch zumindest eine Soll-Größe bzw. durch eine SOLL-Signalform beschrieben wird, einem ersten piezoelektrischen Element (1) oder einer ersten polarisierten Zone (2) eines piezoelektrischen Elements (1) zugeführt wird, wobei das Antwortsignal (U¶a¶(t)), das durch zumindest eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschrieben wird, von einem zweiten piezoelektrischen Element (3) oder von einer zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) aufgenommen wird, wobei die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals (U¶a¶(t)) und die SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals (U¶a¶(t)) miteinander verglichen werden, wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (U¶a¶(t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U¶a¶(t)) das Anregungssignal (U(t)) so modifiziert wird, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform von dem ersten piezoelektrischen Element (1) bzw. von der ersten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) ausgesandten Ultraschall-Messsignal zumindest annäherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U¶a¶(t)), und wobei anhand des Ultraschall-Messsignals, das durch die definierte SOLL-Größe bzw. die definierte SOLL-Signalform ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße. Bei der Prozessgröße handelt es sich bevorzugt um den Volumen- oder Massedurchfluss eines Mediums durch eine Rohrleitung oder durch einen Kanal. Entsprechende Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Weiterhin kann es sich bei der Prozessgröße auch um den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter handeln, der mittels eines Ultraschall-Laufzeitverfahren ermittelt wird. Generell lässt sich sagen, dass das erfindungsgemäße Verfahren in allen Messgeräten einsetzbar ist, bei denen Ultraschall-Messsignale ausgesendet und empfangen werden.
Ohne Einschränkung wird im Nachfolgenden Bezug genommen auf ein Ultraschall-Durchflussmessgerät. Ein Inline-Ultraschall-Durchflussmessgerät ist üblicherweise in eine Rohrleitung integriert, in der ein Messmedium strömt. Ultraschall-Durchflussmessgeräte, die nach der Laufzeitdifferenz-Methode arbeiten, weisen zumindest ein Paar von Ultraschallsensoren auf, die Ultraschall-Messsignale entlang definierter Schallpfade aussenden und/oder empfangen. Eine Regel-/Auswerteeinheit ermittelt den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums in der Rohrleitung anhand der Differenz der Laufzeiten der Messsignale in Strömungsrichtung des Messmediums und entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums. Bei dem Messmedium kann es sich um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Medium handeln.
Neben den zuvor beschriebenen Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräten kommen auch Clamp-On-Durchflussmessgeräte zum Einsatz, die von außen auf der Rohrleitung montiert werden und die den Volumen- bzw. Massedurchfluss durch die Rohrwand hindurch messen.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte der zuvor beschriebenen Art, die den Volumen- oder den Massedurchfluss ermitteln, werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Clamp-On-Durchfluss messgeräte haben den Vorteil, dass sie es ermöglichen, den Volumen- oder Massedurchfluss in einem Behältnis, z.B. in einer Rohrleitung, ohne Kontakt mit dem Medium zu bestimmen. Clamp-On-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478, DE 43 35 369 C1 , DE 298 03 911 U1 , DE 4336370 C1 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.

Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung, in der das Messmedium strömt, eingestrahlt bzw. aus der Rohrleitung ausgestrahlt. Bei Ultraschall-Durchflussmessgeräten ist die jeweilige Position der Ultraschallwandler am Messrohr (Inline) bzw. an der Rohrleitung (Clamp-On) abhängig vom Innendurchmesser des Messrohres und von der Schallgeschwindigkeit des Messmediums. Bei einem Clamp-On-Durchflussmessgerät müssen zusätzlich die Applikationsparameter: Wandstärke der Rohrleitung und Schallgeschwindigkeit des Materials der Rohrleitung berücksichtigt werden.

Üblicherweise sind bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten die Ultraschallsensoren so angeordnet, dass die durchlaufenen Schallpfade durch den Zentralbereich der Rohrleitung bzw. des Messrohres geführt sind. Der ermittelte Durchflussmesswert spiegelt somit den mittleren Durchfluss des Messmediums. Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Durchflussmessungen in Rohrleitungen mit großen Nennweiten, ist diese Mittelung jedoch zu ungenau. Deshalb ist auch bekannt geworden, mehrere Sensorpaare über den Umfang verteilt an dem Messrohr bzw. an der Rohrleitung vorzusehen, wodurch die Durchflussinformation aus verschiedenen segmentierten Winkelbereichen des Messrohres bzw. der Rohrleitung zur Verfügung steht.

Die wesentliche Komponente eines Ultraschallsensors ist ein piezoelektrisches Element. Die wesentliche Komponente eines piezoelektrischen Elements ist eine piezokeramische Schicht, bei der es sich um eine Folie oder um eine Membran handelt. Die Piezokeramik ist zumindest in einem Teilbereich metallisiert. Durch Anlegen eines elektrischen Anregungssignals wird die piezoelektrische Schicht in Schwingung versetzt. Ein Ultraschallsensor würde ideal funktionieren, wenn das piezoelektrische Element exakt dem elektrischen Anregungssignal folgen würde – dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Vielmehr werden durch das Anregungssignal üblicherweise auch Oberwellen und Resonanzen angeregt, die sich dem eigentlichen sog. Nutzsignal überlagern und es in seiner Signalform verändern. Hierdurch wird die Messgenauigkeit eines auf dem piezoelektrischen Effekt basierenden Messverfahrens mitunter erheblich eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein optimiertes Signal-/Rauschverhältnis bei einem Ultraschallsensor erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

– ein zeitlich begrenztes Anregungssignal, das durch zumindest eine SOLL-Größe bzw. durch eine SOLL-Signalform beschrieben wird, wird einem ersten piezoelektrischen Element oder einer ersten polarisierten Zone eines piezoelektrischen Elements zugeführt;
– das Antwortsignal, das durch zumindest eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschrieben wird, wird von einem zweiten piezoelektrischen Element oder von einer zweiten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements aufgenommen;
– die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals und die SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals werden miteinander verglichen;
– im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals wird das Anregungssignal so modifiziert, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform von dem ersten piezoelektrischen Element bzw. von der ersten Zone des piezoelektrischen Elements ausgesendeten Messsignal zumindest näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals;
– anhand des Messsignals, das durch die definierte SOLL-Größe bzw. die definierte SOLL-Signalform beschreibbar ist, wird die Prozessgröße über ein Schall-Mitnahmeverfahren oder über ein Echoverfahren bestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in der Rückkopplung – entweder in Echtzeit oder zeitverschoben – der Auslenkung des piezoelektrischen Elements auf das elektrische Anregungssignal. Wie bereits erwähnt, wird ein Ultraschall-Messsignal durch die Verwendung von piezoelektrischen Elementen oder von piezoelektrischen Folien bzw. Membranen erzeugt. Bekannte piezokeramische Elemente sind polarisiert und bestehen üblicherweise aus einer Scheibe, die auf beiden Seiten metallisiert ist. Die Auslenkung der Oberfläche geschieht durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden metallisierten Flächen. Das Empfangen eines Ultraschall-Messsignals erfolgt über die Umkehrung des zuvor beschriebenen Prozesses. Dies ist möglich, da der Prozess reversibel ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal erzeugt wird, dass das Anregungssignal einer ersten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements zugeführt wird, dass durch die zumindest eine IST-Größe bzw. durch die IST-Signalform beschriebene Antwortsignal in einer zweiten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements abgegriffen wird und dass im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals das Anregungssignal so modifiziert wird, dass das Antwortsignal zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschrieben wird. Realisiert wird das Verfahren im einfachsten Fall über eine Rückkopplung.

Um die Auslenkung des piezoelektrischen Elements durch ein angelegtes Spannungssignal zu messen, wird erfindungsgemäß in einer ersten Ausführungsform zumindest eine zusätzliche metallisierte und polarisierte Zone auf dem Piezoelement vorgesehen. An dieser zusätzlichen zweiten polarisierten Zone wird die Spannung gemessen, die von der Auslenkung des Piezoelementes abhängig ist. Über eine Linearisierung anhand einer Referenzmessung des angelegten Spannungssignals relativ zur Auslenkung und anhand einer Phasenkompensation der Verzögerung der an der Schwingung beteiligten mechanischen und elektrischen Komponenten lässt sich das piezoelektrische Element in seinem Schwingverhalten optimal an die gewünschte SOLL-Signalform anpassen. Bevorzugt werden Endstufe und die Kompensationsschaltung übrigens der Einfachheit halber analog ausführen.

Darüber hinaus wird gemäß einer alternativen Ausführungsform das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal dem ersten piezoelektrischen Element zugeführt; das durch eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschriebene Antwortsignal wird nachfolgend an dem zweiten piezoelektrischen Element, das von dem ersten piezoelektrischen Element räumlich getrennt ist, abgegriffen; im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals wird das Anregungssignal anschließend so modifiziert, dass das Antwortsignal zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform beschrieben werden kann.

Bei dieser zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also ein zweites piezoelektrisches Element benutzt, welches im Schallpfad des ersten piezoelektrischen Elementes angeordnet ist. Dieses zweite piezoelektrische Element hat eine Kontrollfunktion und misst die vom ersten piezoelektrischen Element ausgesendete Signalform. Anhand der gemessenen Signalform wird das Ultraschall-Messsignal so modifiziert, dass das erste piezoelektrische Element die gewünschte Signalform aussendet. Das zweite piezoelektrische Element wird also zur unmittelbaren Kompensation von unerwünschten Oberwellen des Ultraschall-Messsignals verwendet.

In gewissen Anwendungen kann nun der Fall auftreten, dass die Phasendifferenz durch die Laufzeit des Ultraschall-Messsignals zwischen dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element, das die Funktion eines Kontroll-Piezoelements hat, zu groß wird, so dass eine unmittelbare Rückkopplung nicht möglich ist. In diesem Fall erfolgt die Einstellung der gewünschten Signalform mittels eines alternativen Verfahrens, welches es gleichfalls ermöglicht, Oberwellen und Resonanzen des ausgesendeten Ultraschall-Messsignals geeignet zu kompensieren. Hierzu wird das vom ersten piezoelektrischen Element ausgesandte Ultraschall-Messsignal ebenfalls durch ein zweites piezoelektrisches Element mit Kontrollfunktion gemessen. Die Signalform bzw. eine anderweitige charakteristische Größe des gemessenen Ultraschall-Messsignals wird mit einer SOLL-Signalform bzw. SOLL-Größe verglichen. Aus der Differenz der beiden Messsignale wird neues Anregungssignal generiert und gespeichert. Für die nächste Anregung des piezoelektrischen Elements wird dieses neu generierte und gespeicherte Anregungssignal verwendet. Das ausgesandte Ultraschall-Messsignal wird erneut gemessen, mit dem gewünschten Anregungssignal verglichen und aus der Differenz wird ein wiederum modifiziertes Anregungssignal generiert und gespeichert. Durch iterative Anwendung des Verfahrens wird die IST-Signalform des aktuellen Ultraschall-Messsignals der gewünschten SOLL-Signalform des Ultraschall-Messsignals sukzessive angenähert.

Eine Weiterbildung zu den beiden zuvor genannten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals durch Änderung der an die erste Zone des piezoelektrischen Elements angelegten Spannung oder durch Änderung der an das erste piezoelektrische Element angelegten Spannung modifiziert wird.

Weiterhin wird, wie bereits zuvor erwähnt, vorgeschlagen, dass die SOLL-Spannung des Antwortsignals mit der IST-Spannung des Antwortsignals verglichen wird und dass eine Abweichung zwischen den beiden Spannungen über eine Differenzverstärkung korrigiert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht darüber hinaus vor, dass die SOLL-Signalform des Antwortsignals ermittelt und in Abhängigkeit von den im Prozess und/oder im System herrschenden Bedingungen jeweils als Signalform des Anregungssignal abgespeichert wird und dass die auf die jeweils herrschenden Prozess- und/oder Systembedingungen abgestimmte Signalform als Anregungssignal für die zumindest eine Zone des piezoelektrischen Elements oder als Anregungssignal für das erste piezoelektrische Element verwendet wird.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die unter bestimmten Prozess- und/oder Systembedingungen ermittelte Signalform als Anregungssignal dem ersten piezoelektrischen Element zugeführt wird und dass im Falle einer Abweichung der Signalform des zweiten piezoelektrischen Elements von der in Abhängigkeit von Prozess- und/oder Systembedingungen gespeicherten Signalform des Anregungssignals eine Fehlermeldung generiert wird. Eine Abweichung von einer unter vorgegebenen Bedingungen vorab ermittelten Korrektur des Ultraschall-Messsignals wird hier also zur Fehlererkennung herangezogen.

Wie bereits zuvor erwähnt, handelt es sich bei dem piezoelektrischen Element um ein scheibenförmig ausgebildetes Element, welches zwei gegenüberliegende Stirnflächen aufweist. Das piezoelektrische Element ist eine Folie oder eine Membran.

Bevorzugt weist das piezoelektrische Element in unterschiedlichen Zonen eine voneinander unabhängige Polarisation auf; darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Zonen mit der voneinander unabhängigen Polarisation auf derselben Stirnfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet sind. Dies vereinfacht in vielen Fällen die Verdrahtung.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung weist einen Signalgenerator auf, der das zeitlich begrenzte durch eine Größe bzw. eine Signalform beschriebene Anregungssignal der ersten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements zuführt. Weiterhin ist eine Korrekturschaltung vorgesehen, die die korrespondierende IST-Größe bzw. die korrespondierende IST-Signalform des Antwortsignals aus der zweiten polarisierten Zone des piezoelektrischen Elements abgreift und mit der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals vergleicht; die Korrekturschaltung beaufschlagt die erste polarisierte Zone im Falle einer Abweichung der SOLL-Größe und IST-Größe bzw. der SOLL-Signalform und IST-Signalform des Antwortsignals mit einem Kompensationssignal, das so bemessen ist, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals.

Anstelle der Beeinflussung eines piezoelektrischen Elements mit unterschiedlich polarisierten Zonen sieht eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung zwei piezoelektrische Elemente vor, die in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Allgemein lässt sich sagen, dass das zweite piezoelektrische Element im Schallpfad des ersten piezoelektrischen Elements angeordnet ist. Zur Vermeidung von Reflexionen wird es in diesem Zusammenhang als vorteilhaft angesehen, wenn zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen ein Koppelmedium angeordnet ist.

Kommt das Verfahren zur Anwendung, das eine iterative Anpassung des ausgesandten Ultraschall-Messsignals an ein Ultraschall-Messsignal mit einer vorgegebenen SOLL-Signalform vorschlägt, so ist eine Speichereinheit vorgesehen, in der Größen bzw. Signalformen des Antwortsignals in Abhängigkeit von den im Prozess- und/oder System herrschenden Bedingungen abgespeichert sind.

In diesem Zusammenhang ist es dann auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern im System oder Prozess heranzuziehen. Hierzu ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die eine Abweichung einer IST-Größe oder einer IST-Signalform des Antwortsignals von der entsprechenden, unter definierten Prozess- und/oder Systembedingungen aufgezeichneten SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform des Antwortsignals erkennt und eine entsprechende Fehlermeldung generiert.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Draufsicht auf die Stirnfläche eines aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Elements,
1a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 1,
2: ein Spannungssignal, das zur Anregung eines piezoelektrischen Elements des Standes der Technik verwendet wird,
3: ein Antwortsignal auf das in 2 dargestellte Spannungssignal,
4: eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen,
4a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 4,
5: eine zweite Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen,
5a: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 5,
6: eine erste Schaltungsanordnung, die zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen geeignet ist,
7: eine zweite Schaltungsanordnung, die zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen geeignet ist,
8: eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ersten piezoelektrischen Elements, dem ein zweites piezoelektrisches Element mit Kompensationsfunktion nachgeordnet ist, und
9: ein Flussdiagramm zur Durchführung einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnfläche 6 eines aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Elements 1. 1a zeigt das in 1 dargestellte piezoelektrische Element 1 im Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A. Ein derartiges piezoelektrisches Element 1 ist die wesentliche Komponente eines Ultraschallsensors, wie er beispielsweise zur Durchflussmessung oder zur Füllstands- und Abstandsmessung verwendet wird. Bei der das piezoelektrische Element 1 bildenden piezokeramischen Schicht handelt es sich um eine Folie oder um eine Membran mit einer beidseitig aufgebrachten, leitfähigen Beschichtung. Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt geworden, dass die beiden sich gegenüberliegenden Stirnflächen 5, 6 des piezoelektrischen Elements 1 unterschiedlich polarisiert sind. Die Dicke T der piezoelektrischen Schicht bestimmt die Eigenfrequenz des piezoelektrischen Elements.
Das piezoelektrische Element 1 wird mittels eines elektrischen Anregungssignals U(t) zu Schwingungen angeregt. Die Funktionsweise eines Ultraschallsensors ist als ideal einzustufen, wenn das von dem piezoelektrischen Element 1 ausgesandte Ultraschall-Messsignal in seiner Signalform exakt dem elektrischen Anregungssignal U(t) folgt – dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Vielmehr werden durch das Anregungssignal U(t) neben der Grundfrequenz üblicherweise auch Oberwellen und Resonanzen angeregt, die sich dem eigentlichen sog. Nutzsignal überlagern und es in seiner Signalform verändern. Ein Beispiel ist in den Figuren 2 und 3 schematisch dargestellt.
Anhand des in 3 dargestellten Antwortsignals U_a(t) ist verdeutlicht, dass das Antwortsignal U_a(t) gegenüber dem Anregungssignal U(t) eine deutlich längere Abklingzeit hat. Das Anregungssignal U(t) wird von dem Signalgenerator 7 erzeugt. Es versteht sich von selbst, dass diese Änderung der Signalform zu erheblichen Messfehlern führt, wenn die Laufzeit der Ultraschall-Messsignale relativ zum Messsignal gesehen klein ist.
4 zeigt eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Elements 1 mit zwei unterschiedlich polarisierten Zonen 2, 4, welches zur Durchführung einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In 5 ist eine zweite Ausführungsform eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten piezoelektrischen Elements 1 zu sehen. Die Figuren 4a und 5a zeigen jeweils die entsprechenden Querschnitte gemäß der Kennzeichnung A-A in den Figuren 4 und 5.
Bei beiden Ausführungsformen sind auf einer Stirnfläche 5 des piezoelektrischen Elements 1 zwei Zonen 2, 4 mit unterschiedlicher Polarisation vorgesehen. Während die unterschiedlich polarisierten Zonen 2, 4 bei der in 4 dargestellten Ausführungsform konzentrisch angeordnet sind, zeigen die Zonen 2, 4 der in 5 gezeigten Ausführungsform einen asymmetrischen Aufbau. Durch Zuführung des Anregungssignals U(t) sendet die erste Zone 2 ein Antwortsignal U_a(t) aus, das von der zweiten Zone 4 des piezoelektrischen Elements 1 in Echtzeit empfangen wird.
Wie in der in 6 dargestellten Schaltung zu sehen ist, wird das von der zweiten Zone 4 empfangene Antwortsignal U_a(t) der Korrekturschaltung 8, bei der es sich bevorzugt um eine Differenzverstärkung handelt, zugeführt und über die Endstufe/den Verstärker 12 wieder auf die erste Zone 2 des piezoelektrischen Elements 1 gegeben. Über diese Rückkoppelschaltung wird erreicht, dass das Antwortsignal U_a(t) im eingeschwungenen Zustand zumindest näherungsweise die Signalform des Anregungssignals U(t) aufweist.
In 8 ist eine analoge Rückkoppel-Schaltung zur Ansteuerung eines ersten piezoelektrischen Elements 1 dargestellt, dem ein zweites piezoelektrisches Element 3 mit Kompensationsfunktion nachgeordnet ist. Zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen 1, 3 befindet sich ein Koppelmedium 9, dessen Eigenschaften hinsichtlich z.B. Dämpfung und Reflektionsverhalten an die Eigenschaften der beiden piezoelektrischen Elemente 1, 3 angepasst sind. Bei dieser Ausgestaltung liefert also das zweite piezoelektrische Element 3, das im Schallpfad des ersten piezoelektrischen Elements 1 positioniert ist, das Antwortsignal U_a(t) an die Differenzverstärkerschaltung 8.
Von der in 6 gezeigten Schaltungsanordnung unterscheidet sich die in 7 dargestellte Schaltungsanordnung durch die zusätzliche Speichereinheit 10 und die Auswerteeinheit 11. Diese Schaltungsanordnung ist zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, bei der der Einschwingvorgang des Systems verkürzt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird die die SOLL-Signalform des Antwortsignals U_a(t) ermittelt und in Abhängigkeit von den im Prozess und/oder im System herrschenden Bedingungen X_i jeweils als Signalform des Anregungssignal U(t; X_i) abgespeichert wird; diese auf die jeweils herrschenden Prozess- und/oder Systembedingungen X_i optimal abgestimmte und bereits zuvor bestimmte Signalform wird nachfolgend als Anregungssignal U(t; X_i) für die zumindest eine Zone 2 des piezo elektrischen Elements 1 oder als Anregungssignal für das erste piezoelektrische Element 1 verwendet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die unter bestimmten Prozess- und/oder Systembedingungen X_i ermittelte Signalform als Anregungssignal U(t; X_i) dem ersten piezoelektrischen Element 1 zugeführt wird und dass im Falle einer Abweichung der Signalform des vom zweiten piezoelektrischen Element 1 gelieferten Antwortsignals U_a(t; X_i) von der unter definierten Prozess- und/oder Systembedingungen X_i gespeicherten Signalform des Anregungssignals U(t; X_i) eine Fehlermeldung generiert wird. Eine Abweichung zwischen dem von dem zweiten piezoelektrischen Element 1 oder der zweiten Zone 3 des piezoelektrischen Elements 1 gelieferten Antwortsignal U_a(t; X_i) wird somit zur Fehlererkennung herangezogen.
In 9 ist ein Flussdiagramm zur Durchführung einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem die IST-Signalform des Anregungssignals iterativ an die SOLL-Signalform angenähert wird. Mittels dieses Verfahrens ist es möglich, eine Dämpfungs- oder Impedanzmessung oder in Verbindung mit einer Schallgeschwindigkeitsmessung eine Dichtemessung durchzuführen. Auch wird es durch das nachfolgend beschriebene Verfahren ermöglicht, den Verschleiß oder allgemein einen Fehler am als Sender ausgestalteten piezoelektrischen Element 1 zu erkennen.
Allgemein gesprochen, wird bei dieser Ausgestaltung eine iterative Annäherung der Signalform des zur Bestimmung einer Prozessgröße ausgesandten Ultraschall-Messsignals an die gewünschte SOLL-Signalform des Anregungssignals U(t) erreicht. Sobald die IST-Signalform des Anregungssignals mit der SOLL-Signalform übereinstimmt, lassen spätere Änderungen Rückschlüsse auf mögliche System- oder Prozeßfehler erkennen.
Der Programmstart erfolgt bei Punkt 20. Bei Punkt 21 wird die gewünschte SOLL-Signalform als Spannungssignal U(t) an das erste piezoelektrische Element 1 angelegt. Dieses übernimmt somit die Funktion eines Senders. Das zweite piezoelektrische Element 3 empfängt unter dem Programmpunkt 22 das Antwortsignal U_a(t). Somit hat das zweite piezoelektrische Element 3 die Funktion eines Mikrofons.
Unter Programmpunkt 23 wird die SOLL-Signalform analysiert und durch geeignete Parameter beschrieben. Diese ermittelten Parameter werden bei Punkt 25 abgespeichert. Weiterhin wird die SOLL-Signalform gesampelt, gespeichert, oder diese Daten sind unter dem Programmpunkt 24 bereits digital abgespeichert.
Das erste piezoelektrische Element 1 wird unter Punkt 26 mit einem Spannungssignal U(t) beaufschlagt, das die abgespeicherte SOLL-Signalform aufweist. Unter Punkt 28 misst das zweite piezoelektrische Element 3 den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der abgespeicherten SOLL-Signalform. Unter Punkt 29 wird die IST-Signalform des Antwortsignals gesampelt und abgespeichert. Anschließend werden bei Programmpunkt die unter Punkt 24 gesampelte und gespeicherte SOLL-Signalform des Anregungssignals und die IST-Signalform des Antwortsignals phasenverschoben und miteinander verglichen bzw. korreliert. Die Phasenverschiebung ist notwendig, da das Antwortsignal zum Anregungssignal aufgrund der Laufzeit zwischen dem ersten piezoelektrischen Element 1 und dem zweiten piezoelektrischem Element 3 zeitlich verschoben ist. Über einen geeigneten Algorithmus, z.B. über eine FFT, wird bei Punkt 31 eine korrigierte SOLL-Signalform bestimmt. Diese korrigierte SOLL-Signalform wird auf den Programmpunkt 25 rückgeführt und abgespeichert. Die Programmpunkte 26 bis 31 werden sukzessive solange durchlaufen, bis die IST-Signalform und die SOLL-Signalform übereinstimmen.

1: erstes piezoelektrisches Element
2: erste polarisierte Zone
3: zweites piezoelektrisches Element
4: zweite polarisierte Zone
5: erste Stirnfläche
6: zweite Stirnfläche
7: Signalgenerator
8: Korrekturschaltung
9: Koppelmedium
10: Speichereinheit
11: Auswerteeinheit
12: Endstufe/Verstärker

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, wobei ein zeitlich begrenztes Anregungssignal (U(t)), das durch zumindest eine SOLL-Größe bzw. durch eine SOLL-Signalform beschrieben wird, einem ersten piezoelektrischen Element (1) oder einer ersten polarisierten Zone (2) eines piezoelektrischen Elements (1) zugeführt wird, wobei das Antwortsignal (U_a(t)), das durch zumindest eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschrieben wird, von einem zweiten piezoelektrischen Element (3) oder von einer zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) aufgenommen wird, wobei die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) und die SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) miteinander verglichen werden, wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) das Anregungssignal (U(t)) so modifiziert wird, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform von dem ersten piezoelektrischen Element (1) bzw. von der ersten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) ausgesandten Ultraschall-Messsignal zumindest näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)), und wobei anhand des Ultraschall-Messsignals, das durch die definierte SOLL-Größe bzw. die definierte SOLL-Signalform beschreibbar ist, die Prozessgröße über ein Schall-Mitnahmeverfahren oder über ein Echoverfahren bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal (U(t)) erzeugt wird, wobei das Anregungssignal (U(t)) einer ersten polarisierten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) zugeführt wird, wobei das durch die zumindest eine IST-Größe bzw. durch die IST-Signalform beschriebene Antwortsignal (U_a(t)) in einer zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) abgegriffen wird und wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) das Anregungssignal (U(t) so modifiziert wird, dass das Antwortsignal (U_a(t)) zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform beschriebene Anregungssignal (U(t)) dem ersten piezoelektrischen Element (1) zugeführt wird, wobei das durch eine zur SOLL-Größe bzw. zur SOLL-Signalform korrespondierende IST-Größe bzw. IST-Signalform beschriebene Antwortsignal (U_a(t)) von dem zweiten piezoelektrischen Element (3) abgegriffen wird und wobei im Falle einer Abweichung der IST-Größe bzw. der IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) von der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) das Anregungssignal (U(t)) so modifiziert wird, dass das Antwortsignal (U_a(t)) zumindest näherungsweise durch die vorgegebene SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) durch Änderung der an die erste Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) angelegten Spannung oder durch Änderung der an das erste piezoelektrische Element (1) angelegten Spannung modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die SOLL-Spannung des Antwortsignals (U_a(t)) mit der IST-Spannung des Antwortsignals (U_a(t)) verglichen wird und wobei eine Abweichung zwischen den beiden Spannungen über eine Differenzverstärkung korrigiert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–5, wobei die SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) ermittelt und in Abhängigkeit von den im Prozess und/oder im System herrschenden Bedingungen (X_i) jeweils als Signalform des Anregungssignal (U(t; X_i)) abgespeichert wird und wobei die auf die herrschenden Prozess- und/oder Systembedingungen abgestimmte Signalform als Anregungssignal (U(t; X_i)) für die zumindest eine Zone (2, 4) des piezoelektrischen Elements (1) oder als Anregungssignal (U(t; X_i)) für das erste piezoelektrische Element (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die unter bestimmten Prozess- und/oder Systembedingungen ermittelte Signalform als Anregungssignal (U(t; X_i)) dem ersten piezoelektrischen Element (1) zugeführt wird und wobei im Falle einer Abweichung der Signalform des zweiten piezoelektrischen Elements (3) von der in Abhängigkeit von Prozess- und/oder Systembedingungen (X_i) gespeicherten Signalform des Anregungssignals (U(t; X_i)) eine Fehlermeldung generiert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–7, wobei ein piezoelektrisches Element (1; 3) scheibenförmig ausgebildet ist und zwei gegenüberliegende Stirnflächen (5, 6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Element (1) in unterschiedlichen Zonen (2, 4) eine voneinander unabhängige Polarisation aufweist und wobei die Zonen (2, 4) mit der voneinander unabhängigen Polarisation auf derselben Stirnfläche (5; 6) des piezoelektrischen Elements (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Signalgenerator (7) vorgesehen ist, der das zeitlich begrenzte, durch eine Größe bzw. eine Signalform beschriebene Anregungssignal (U(t)) der ersten polarisierten Zone (2) des piezoelektrischen Elements (1) zuführt, wobei eine Korrekturschaltung (8) vorgesehen ist, die die korrespondierende IST-Größe bzw. die korrespondierende IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) aus der zweiten polarisierten Zone (4) des piezoelektrischen Elements (1) abgreift und mit der SOLL-Größe bzw. der SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) vergleicht, und wobei die Korrekturschaltung (8) die erste polarisierte Zone (2) im Falle einer Abweichung der SOLL-Größe und IST-Größe bzw. der SOLL-Signalform und IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) mit einem Kompensationssignal (U_K(t)) beaufschlagt, das so bemessen ist, dass die IST-Größe bzw. die IST-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)) näherungsweise gleich ist der SOLL-Größe bzw. die SOLL-Signalform des Antwortsignals (U_a(t)).
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwei piezoelektrische Elemente (1, 3) vorgesehen sind, die in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die beiden piezoelektrischen Elemente über ein Koppelmedium (9) miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Speichereinheit (10) vorgesehen ist, in der Größen bzw. Signalformen des Antwortsignals (U(t; X_i)) in Abhängigkeit von den im Prozess- und/oder System herrschenden Bedingungen abgespeichert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Auswerteeinheit (11) vorgesehen ist, die eine Abweichung einer IST-Größe oder einer IST-Signalform des Antwortsignals (U(t; X_i)) von der entsprechenden, unter definierten Prozess- und/oder Systembedingungen (X_i) aufgezeichneten SOLL-Größe bzw. SOLL-Signalform des Antwortsignals (U(t; X_i)) erkennt und eine Fehlermeldung generiert.