Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums in einem

Behälter mittels eines vibronischen Sensors mit einer schwingfähigen Einheit, die eine Membran mit ggf. einem an der Außenfläche der Membran befestigten Schwingelement aufweist, wobei die schwingfähige Einheit auf der Höhe des zu überwachenden

Füllstands angeordnet wird, wobei die schwingfähige Einheit mit einer vorgegebenen Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt wird und die Schwingungen der

schwingfähigen Einheit empfangen werden, und wobei das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes signalisiert wird. Synonym verwendete Begriffe für den vorgegebenen Füllstand sind Pegel oder Grenzstand. Entsprechende Sensoren werden auch als Vibrationssensoren oder Grenzstandschalter bezeichnet.

Die Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines in einem Behälter befindlichen flüssigen Mediums ist in der Automatisierungs-technik von großer Wichtigkeit. Eine hohe Messgenauigkeit ist insbesondere bei der Dosierung einzelner Inhaltsstoffe in chemischen oder pharma-zeutischen Produktionsprozessen gefordert.

Typischerweise werden für die Prozesssteuerung optische oder kapazitive Messverfahren oder Messverfahren auf der Basis von Ultraschall- oder Mikrowellen eingesetzt, wobei sich die höchste Auflösung und damit die höchste Messgenauigkeit mit optischen Messverfahren erreichen lässt. Nachteilig bei den optischen Messverfahren ist, dass sie in einer industriellen Umgebung nicht universell einsetzbar sind und versagen, wenn die Verschmutzung im Gasraum ein vorgegebenes Maß überschreitet.

Sehr gut geeignet für einen breiten Einsatz in der Automatisierungstechnik sind aufgrund ihrer Robustheit vibronische Sensoren. Die schwingfähige Einheit von vibronischen Sensoren kann je nach Anwendung unterschiedlich ausgestaltet sein: als Stimmgabel mit zwei symmetrisch an einer Membran angeordneten Gabelzinken, als Einstab, bei dem lediglich eine Zinke mittig an einer Membran angeordnet ist, oder einfach als sog.

Membranschwinger. Vibrationssensoren mit Stimmgabeln werden in Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen eingesetzt und von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Unter der Bezeichnung SOLIPHANT sind Vibrationssensoren mit einem Einstab bekannt geworden. Letztere sind hauptsächlich für den Einsatz in Feststoffen ausgewiesen. Aus der DE 10 2005 044 725 A1 ist darüber hinaus eine Ausgestaltung eines Membran-schwingers bekannt geworden, der für den Einsatz in unterschiedlichsten Medien geeignet ist. Insbesondere vibronische Sensoren mit Stimmgabeln weisen eine hohe

Messempfindlichkeit bei der Detektion des Grenzstands von Flüssigkeiten auf. Die Messempfindlichkeit bei vibronischen Sensoren entspricht der Frequenzänderung bezüglich der vorgegebenen Schwingfrequenz, üblicherweise der Resonanzfrequenz, die auftritt, wenn sich das Umgebungsmedium der Stimmgabel ändert. Kommt die

Stimmgabel mit der Flüssigkeit in Kontakt, so verändert die Ankopplung der

Flüssigkeitsmasse die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit drastisch: Bei vibronische Sensoren mit Stimmgabeln von ca. 20 mm Länge liegt die Frequenzänderung zwischen -20% und 30% beim Eintauchen in Wasser (Dichte ca. 1 g/cm ³ ). Ein gleichwertiger Effekt zeigt sich bei der schwingenden Stimmgabel, wenn ein Übergang von der Flüssigkeit in das Umgebungsgas bzw. in Luft erfolgt.

Mathematisch lässt sich die Schwingfrequenz f der Stimmgabel in einer Flüssigkeit der Dichte p ₀ wie folgt beschreiben: wobei f ₀ die Schwingfrequenz, insbesondere die Resonanzfrequenz, der Stimmgabel in

Luft oder im Umgebungsgas ist. Der sog. S-Faktor ist ein spezifischer Parameter der Stimmgabel und kennzeichnet die Messempfindlichkeit der Stimmgabel. Über die geometrischen Abmessungen und das Material der Stimmgabel kann der spezifische S- Faktor so angepasst werden, dass die von der Eintauchtiefe abhängige

Frequenzänderung, die die Messempfindlichkeit eines vibronischen Sensors bestimmt, bei Sensoren mit einer Schwingfrequenz f ₀ im Bereich von 900-2000 Hz in wässrigen

Lösungen 10 bis 50 Hz/mm beträgt. Auf der Basis dieser exzellenten Messempfindlichkeit lassen sich sehr zuverlässig arbeitende vibronische Sensoren für die

Grenzstanddetektion realisieren. Bereits bei einer Änderung der Eintauchtiefe von 0,1 mm wird ein Signal erzeugt, das das Erreichen des vorgegebenen Füllstands anzeigt.

Aufgrund der vollmetallischen Konstruktion sind die vibronischen Sensoren darüber hinaus sehr robust und können deutlich breiter in der industriellen

Automatisierungstechnik eingesetzt werden als z.B. optische oder kapazitive Messgeräte.

Allerdings hängt die Messempfindlichkeit bzw. die Messgenauigkeit von vibronischen Sensoren nicht nur von der Sensorgeometrie und dem Material ab, aus dem der Sensor gefertigt ist, sondern auch von der Temperatur. Infolge von im Prozess auftretenden Temperaturschwankungen wird die Messgenauigkeit drastisch reduziert. So liegt die relative Temperaturdrift der Schwingfrequenz - je nach verwendetem Edelstahl - bei einem vibronischen Sensor mit einer Schwingfrequenz f ₀ im Bereich von 900 und 2000 Hz bei

-(2...2,5) ^* 1 (T* 1/°C bzw. -0,18...0,5 Hz/°C. Aus der DE 10 2005 062 813 A1 ist eine Lösung bekannt geworden, bei der der

Temperatureinfluss auf die Schwingfrequenz mittels einer unabhängigen

Temperaturmessung kompensiert wird. Nachteilig bei dieser bekannt gewordenen Lösung ist jedoch, dass eine rechnerische Temperaturkompensation grundsätzlich nicht zuverlässig arbeitet: Fällt die Temperaturmessung über den zusätzlichen

Temperatursensor aus, so wird die Grenzstandmessung mit dem vibronischen Sensor bei einer Temperaturänderung fehlerhaft, ohne dass eine entsprechende Fehlermeldung generiert wird. Die Ursache für die nicht generierte Fehlermeldung ist darin zu sehen, dass die zu überwachende Größe stets über zwei unabhängige Messungen gewonnen wird: Bei der ersten Messung wird anhand einer Änderung der Schwingfrequenz der Stimmgabel das Erreichen des vorgegebenen Füllstands ermittelt; bei der zweiten

Messung wird die Temperatur über den Temperatursensor ermittelt. Als weiterer Nachteil der bekannten Lösung ist zu werten, dass vibronische Sensoren mit rechnerischer Temperaturkompensation sehr aufwändig kalibriert werden müssen. Dies rührt insbesondere daher, dass die beiden zu bestimmenden Parameter: Schwingfrequenz und Temperatur herstellungsbedingt eine gewisse Streuung aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes eines flüssigen Mediums in einem Behälter mittels eines temperaturkompensierten vibronischen Sensors vorzuschlagen. Erfindungsgemäß lässt sich eine hochgenaue Grenzstanddetektion in Flüssigkeiten erreichen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die schwingfähige Einheit bzw. das

Schwingelement so dimensioniert wird und/oder dass das Material, aus dem die schwingfähige Einheit bzw. das Schwingelement gefertigt ist, so gewählt wird, dass sich als Folge einer Temperaturänderung in dem flüssigen Medium eine temperaturabhängige Änderung der Dichte des flüssigen Mediums und eine temperaturabhängige Änderung der Schwingfrequenz der schwing-fähigen Einheit bzw. des Schwingelements zumindest näherungsweise kompensieren.

Die vorgeschlagene Lösung hat folgende Vorteile:

1. Ein separater Temperatursensor zur Durchführung einer

Temperaturkompensation entfällt. Die Grenzstanddetektion in Flüssigkeiten ist mit einer Genauigkeit von 0,05-0,5 mm in einem breiteren Temperaturbereich möglich.

Der erfindungsgemäße vibronische Sensor zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und die bei vibronischen Sensoren übliche Robustheit aus.

Der Kalibrationsaufwand bei der Fertigung des vibronischen Sensors ist gering.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine hochpräzise volumetrische

Messung/Überwachung des Pegelstands einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit durchführen. Die Flüssigkeitsmenge kann über die Masse oder über das Volumen beschrieben werden. Bevorzugt handelt sich um eine Volumenkontrolle, wobei der

Einfluss der Temperatur in einem sehr breiten Temperaturbereich von zumindest -20- 60°C eliminiert wird. Daher ist es möglich, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten vibronischen Sensoren zur Präzisionsbefüllung von Behältern mit

Flüssigkeiten zu verwenden. Ebenso ist es möglich, die vibronischen Sensoren zur volumetrischen Dosierung von Stoffen u.a. in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen und in der pharmazeutischen Industrie einzusetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Temperaturabhängigkeit der Dichte des Mediums, anhand der

Geometrie und des Materials der schwingfähigen Einheit und/oder anhand der

Temperaturdrift der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des

Schwingelements eine Größe, im Folgenden S-Faktor genannt, berechnet, die die Messempfindlichkeit bzw. Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements in Bezug auf eine Referenzfrequenz beschreibt.

Bevorzugt wird der S-Faktor nach folgender Formel ermittelt:

~ p ₀ - (ß - 2Q wobei C den Temperaturkoeffizienten des schwingfähigen Elements, ß den

Temperaturkoeffizienten der Dichte des flüssigen Mediums und p ₀ die Dichte des flüssigen Mediums kennzeichnet.

Die Schwingfrequenz der Stimmgabel - oder der Membran - eines vibronischen Sensors hängt von der Mediumsdichte, der Mediumstemperatur und der Sensortemperatur ab. Ohne Einschränkung wird der Einfachheit halber im Folgenden stets auf die Stimmgabel Bezug genommen. Betrachten wir zuerst den vibronischen Sensor selbst: Der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem der Sensor gefertigt ist, ist temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur ab. Ebenso nimmt die Schwingfrequenz des vibronischen Sensors ab, wenn die Stimmgabel aufgeheizt wird.

Schauen wir uns das flüssige Medium an, dessen Grenzstand detektiert werden soll: Die Dichte von flüssigen Medien ist ebenfalls temperaturabhängig und wird kleiner mit steigender Temperatur. Da die Schwingfrequenz nach der Formel (1 ) dichteabhängig ist, erhöht sich mit abfallender Dichte die Schwingfrequenz der Stimmgabel. Kennzeichnet f _T die Schwingfrequenz bei einer Temperatur T im Vakuum und f _M die

Schwingfrequenz bei der Temperatur T im flüssigen Medium, lautet die Formel (1 ) folgendermaßen:

Bezogen auf eine relative Frequenzänderung lässt sich die Formel (2) wie folgt umschreiben:

Der S-Faktor hängt von der Geometrie und dem Material der Stimmgabel ab und ist unabhängig von der Temperatur. Der S-Faktor kann bei typischen vibronischen Sensoren mit Stimmgabeln, die üblicherweise zur Grenzstanddetektion in flüssigen Medien eingesetzt werden, zwischen 0,5 und ca. 2 cm ³ /g betragen.

Ändert sich die Temperatur um ΔΤ von T auf T +ΔΤ, so ändert sich die Dichte p ₁ des Mediums nach folgender Formel:

_Pl = p ₀ - (l + ß - AT) , (3)

Der Koeffizient ß kennzeichnet hierbei die Abhängigkeit der Dichte p ₀ des Mediums von der Temperatur T.

Als Folge der Temperaturabhängigkeit der Dichte p ₀ des Mediums ändert sich die Schwingfrequenz f _T+AT des vibronischen Sensors in Gleichung (2) wie folgt, wobei die Konstante C die Änderung der Schwingfrequenz f _T infolge der Temperaturänderung ΔΤ beschreibt: f _T+AT =f _T -( + C-AT) (4) Unter Berücksichtigung der Temperaturänderung T + AT lautet die Gleichung (2): Die Schwingfrequenz ist temperaturunabhängig, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

oder:

Da die Konstante C, die die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz charakterisiert, in einem Bereich von -(2...2,5) ^* 10 ^-4 1/°C liegt, kann der quadratische Term entfallen und die Gleichung (6) lautet wie folgt: (\ + 2-C-AT)-(\ + S-p ₀ )-\-S-p ₀ -(\ + ß-AT) ₀

(l + S-p ₀ -(l + ß-AT))-(l + S-p ₀ ) ~ ^'

bzw:

(l + 2-C-AT)-(l + S-p ₀ )-l-S-p ₀ -(l + ß-AT)*0 (9) 2-C + 2-C-S- p ₀ -S-p ₀ -J3 0. (10)

Aus der Gleichung (10) kann der S-Faktor bestimmt werden, der - wie bereits gesagt - die Messempfindlichkeit der schwingfähigen Einheit bzw. des vibronischen Sensors in Wechselwirkung mit einem Medium der Dichte p ₀ beschreibt: Ist die schwingfähige Einheit, insbesondere eine Stimmgabel, so ausgestaltet, dass sie eine durch die Konstante C definierte Temperaturdrift der Schwingfrequenz aufweist und einen nach Formel (1 1 ) berechneten S-Faktor hat, so wird die

Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz des vibronischen Sensors in dem Medium zumindest näherungsweise eliminiert.

Falls der vibronische Sensor den Grenzstand des Mediums in einem Behälter temperaturunabhängig immer dann detektieren soll, wenn die Stimmgabel eine definierte Eintauchtiefe in dem Medium hat, muss der vibronische Sensor bei Erreichen des vorgegebenen Grenzstands stets die gleiche Schwing-frequenz aufweisen. Dies ist unter der in Gleichung (1 1 ) angegebenen Bedingung zumindest näherungsweise der Fall. Erfindungsgemäß existiert für eine ausgewählte Kombination einer Stimmgabel aus einem vorgegebenen Material mit einem Temperaturkoeffizienten C und einer Flüssigkeit mit einer Dichte p ₀ , wobei die Dichte einen Temperaturkoeffizienten ß aufweist, genau ein S-Faktor = const., über den sich die erfindungsgemäße automatische

Temperaturkompensation realisieren lässt. Erfindungsgemäß erfolgt die

Temperaturkompensation also stets nur für eine klar ausgewiesene Kombination von Stimmgabel und flüssigem Medium. Die erfindungsgemäße Lösung zur Temperaturkompensation eines vibronischen Sensors benötigt keine aufwändige Kalibration, wie sie für die bekannten Messsysteme mit einem Temperaturmesssensor erforderlich ist. Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Vibrationssensor mit quasi intrinsischer Temperaturkompensation durch eine hohe Zuverlässigkeit aus, da nur eine Messgröße - nämlich die Schwingfrequenz - ausgewertet wird. Für eine Kalibration des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors über den S-Faktor nach Formel (1 1 ) genügt es vollkommen, wenn der S-Faktor überprüft wird. Dies macht den Sensorabgleich und die Kalibration während des

Herstellungsprozesses sehr einfach und wirtschaftlich effizient. Als besonders günstig wird es im Zusammenhang mit der Erfindung angesehen, wenn der S-Faktors über eine funktionale Beziehung zur Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements in das flüssige Medium definiert wird.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass anhand der funktionalen Beziehung zwischen dem S-Faktor und der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit bzw. des

Schwingelements die optimale Eintauchtiefe in dem jeweiligen Medium ermittelt wird. Bei dieser optimalen Eintauchtiefe ist die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements unabhängig von der Temperatur. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die optimale Eintauchtiefe als Schaltpunkt der schwingfähigen Einheit bzw. des

Schwingelements in dem zu bestimmenden oder überwachenden flüssigen Medium ermittelt und gespeichert.

Weiterhin wird die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des

Schwingelements auf einen konstanten Wert geregelt wird, so dass die optimale Eintauchtiefe unabhängig von der Temperatur wird. Bevorzugt wird so vorgegangen, dass als Schwingelement eine Stimmgabel verwendet wird, die mathematisch simuliert wird. Insbesondere kommt bie der mathematischen Simaulation eine Finite Elemente Berechnung zur Anwendung. Anhand der Simulation der Stimmgabel wird eine universelle, in einem breiten Temperaturbereich zumindest näherungsweise temperaturunabhängig arbeitende Stimmgabel gefertigt, die in beliebigen flüssigen Medien einsetzbar ist. Ein Beispiel ist im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert. Hierzu wird die optimale Eintauchtiefe anhand der funktionalen

Abhängigkeit zwischen dem S-Faktor und der Eintauchtiefe ermittelt.

Weiterhin wir die Aufgabe durch einen Vibronischen Sensor gelöst, bei dem die schwingfähige Einheit bzw. das Schwingelement so ausgestaltet ist und/oder dass das Material, aus dem die schwingfähige Einheit bzw. das Schwingelement gefertigt ist, so gewählt ist, dass sich als Folge einer Temperaturänderung in dem flüssigen Medium eine temperaturabhängige Änderung der Dichte des flüssigen Mediums und eine

temperaturabhängige Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bzw. des Schwingelements zumindest näherungsweise kompensieren.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Schwingelement um zwei symmetrisch an einer Membran befestigte Gabelzinken, wobei die Gabelzinken im Wesentlichen einen kreisförmigen, einen rechteckigen oder einen ovalen Querschnitt aufweisen. Für hochgenaue Messungen des Grenzstandes sind Stimmgabeln am besten geeignet, da sie unabhängig von dem zu bestimmenden oder zu überwachenden Medium

kompensierte Massenträgheitsmomente haben. Allerdings muss die Lage der

Gabelzinken berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, dass die beiden Gabelzinken zumindest näherungsweise identisch mit der Flüssigkeit bedeckt sind. Diese Bedingung kann für einen Membranschwinger ebenfalls realisiert werden:

Falls der Membranschwinger zwei Biegungsbereiche mit gegenphasigen Schwingungen der Membran aufweist, müssen diese Biegungsbereiche ebenfalls zumindest näherungsweise identisch mit der Flüssigkeit bedeckt sein. Daher ist auch ein

Membranschwinger in Zusammenhang mit der Erfindung einsetzbar. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines vibronischen Sensors, der als

Überfüllsicherung verwendet wird,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer schwingfähigen Einheit, die als Stimmgabel ausgestaltet ist,

Fig. 3: eine Kurve, die die funktionale Abhängigkeit des S-Faktors von der Eintauchtiefe zeigt,

Fig. 4: ein Diagramm, das die Schwingfrequenzen von drei Stimmgabeln aus Edelstahl 1.4435 in drei entsprechenden Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C zeigt, und

Fig. 5: ein Diagramm, das die Schwingfrequenzen von drei Stimmgabeln aus Hastelloy in drei entsprechenden Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C zeigt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines vibronischen Sensors, der als

Überfüllsicherung verwendet wird, d.h. die Längsachse des vibronischen Sensors ist senkrecht zur Oberfläche des flüssigen Mediums 6 orientiert, so dass die beiden

Gabelzinken 3 stets auf gleicher Höhe mit dem flüssigen Medium 6 in Kontakt sind. Der Vibronische Sensor besteht aus einem Gehäuse 7, das in einem Endbereich durch die Membran 2 verschlossen ist. An der Membran 2 sind zwei Zinken einer Stimmgabel 1 befestigt. Die Stimmgabel 1 wird von der Sende-/Empfangseinheit 4 bevorzugt zu

Schwingungen auf der Resonanzfrequenz f ₀ angeregt. In dem Gehäuse 7 ist weiterhinn die Auswerteeinheit 5 angeordnet - also die Einheit, die ein Schaltsignal generiert, wenn der zu überwachende Füllstand erreicht ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer schwingfähigen Einheit 1 mit einem als Stimmgabel 2 ausgestalteten Schwingelement. Das definierte Design der Stimmgabel 2, die den vibronischen Sensor temperaturunabhängig macht, kann mit der Finiten Elemente Methode simuliert werden. Je nach Geometrie der Stimmgabel 2 ändert sich die mathematische Beschreibung des S-Faktors. Für die in Fig. 2 gezeigte Gabelgeometrie mit zwei Gabelzinken 3 mit rechteckigem Querschnitt lautet die Formel für die

Messempfindlichkeit bei einer Länge L=40mm der Stimmgabel 2 wie folgt:

Hierbei kennzeichnet p _m die Dichte des Materials, aus dem die Stimmgabel 1 gefertigt ist. Diese beträgt z.B. für Edelstahl 1 .4462: 7,80 g/cm ³ , für Edelstahl 1.4435: 8,00 g/cm ³ und für Hastelloy C4: 8,64 g/cm ³ .

p ₀ ist die Dichte der Flüssigkeit - gleichfalls mit der Dimension g/cm ³ .

In dieser Formel entspricht dem S-Faktor der konstante Term

0,708 - a + 1,060

b ' P _m

Über die geometrischen Parameter (in Fig. 2 sind dies a, b, L) und die

Materialeigenschaften kann die Stimmgabel 1 so modelliert werden, dass der für die Temperaturunabhängigkeit geforderte S-Faktor vorliegt. Um einen S-Faktor von 1 ,8 cm ³ /g zu erhalten, wird beispielsweise eine Stimmgabel 1 aus einer Edelstahllegierung 1.4435 mit einer Zinkendicke von b=1 ,0 mm und einer Zinkenbreite von a=18,8 mm modelliert. Der S-Faktor von 1 ,8 cm ³ /g wird erreicht, wenn die Stimmgabel 1 komplett in das Medium eintaucht. Über eine geeignete Wahl der Eintauchtiefe h ^* ist es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung dann möglich, eine universelle

Stimmgabel 1 bereitzustellen, die in unterschiedlichen flüssigen Medien 6 eingesetzt werden kann.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Kurve ist der S-Faktors gegen die Eintauchtiefe h aufgetragen. Jeder Eintauchtiefe h ist ein entsprechender S-Faktor eindeutig zugeordnet. Über die entsprechende Wahl des Schaltpunktes SP lässt sich ein temperaturunabhängiger vibronischer Sensor in einer Vielzahl von unterschiedlichen flüssigen Medien 6 herstellen. Somit ist der erfindungs-gemäße temperaturunabhängige vibronische Sensor universell einsetzbar. Nachfolgend sind beispielhaft zwei konkrete Ausgestaltungen des erfindungs-gemäßen vibronischen Sensors für den Einsatz in zwei definierten Medien beschrieben.

1. Die Stimmgabel ist aus Edelstahl 1 .4435 gefertigt und schwingt bei 20°C mit einer Schwingfrequenz von 1059 Hz. Der Koeffizient C beträgt -0,00024 1/°C. Die vibronischen Sensoren - basierend auf dem Schwinggabel-Prinzip - sind für die drei nachfolgend genannten Flüssigkeiten ausgelegt:

Ethanol, p ₀ = 0,791 g/cm ³ , ß = 0,00086 1/°C;

Benzin, p ₀ = 0,78 g/cm ³ , ß = 0,00091 1/°C;

Ethylenglykol, p ₀ = 1 ,1 13 g/cm ³ , /? = 0,00070 1/°C.

Bei jeder Stimmgabel ist der S-Faktor nach Gleichung (1 1 ) für die entsprechende Flüssigkeit bestimmt worden: S-Faktor für Ethanol: S = 1 ,597 cm ³ /g;

S-Faktor für Benzin: S = 1 ,431 cm ³ /g;

S-Faktor für Ethylenglykol: S = 1 ,960 cm ³ /g.

Wie anhand der in Fig. 4 gezeigten Kurven klar ersichtlich ist, ist bei den nach der Formel (1 1 ) gestalteten Stimmgabeln 2 die Schwingfrequenz f nahezu unabhängig von der

Temperatur. Die Frequenzabweichung im Temperaturbereich von (-20...+60)°C beträgt +0,015 Hz für alle drei Flüssigkeiten mit erfindungsgemäß gestalteten Stimmgabeln 2. Im zuvor genannten Temperaturbereich liegt die berechnete Abweichung des Schaltpunktes bei 0,003 mm. Der Schaltpunkt eines vibronischen Sensors entspricht dem

Bedeckungsgrad der Stimmgabel 2 mit Medium 6, wenn ein Schaltsignal "Grenzstand erreicht" ausgegeben wird. Im Schaltpunkt SP ist erfindungsgemäß die Pegelabweichung unabhängig von der Prozesstemperatur und zwar mindestens in einem

Temperaturbereich von -20°C bis +60°C. Mit der erfindungsgemäßen Lösung mit eliminiertem Temperatureinfluss lässt sich daher eine hohe Messgenauigkeit erreichen. Diese hohe Messgenauigkeit wird weder mit Ultraschall- noch mit

Mikrowellenmessverfahren noch mit kapazitiven Verfahren erreicht.

2. Die Stimmgabel 2 ist aus Hastelloy C22 gefertigt und schwingt bei 20°C mit einer Schwingfrequenz von 1450 Hz. Der Koeffizient C beträgt -0,00017 1/°C. Wiederum sind die Stimmgabeln 2 der vibronischen Sensoren für drei Flüssigkeiten ausgelegt:

Ethanol, p ₀ = 0,791 g/cm ³ , ß = 0,00086 1/°C;

Benzin, p ₀ = 0,78 g/cm ³ , ß = 0,00091 1/°C;

Ethylenglykol, p ₀ = 1 ,1 13 g/cm ³ , ß = 0,00070 1/°C.

Bei jeder Stimmgabel wurde auch hier der S-Faktor nach Gleichung (1 1 ) für die entsprechende Flüssigkeit bestimmt: S-Faktor für Ethanol: S = 0,827 cm ³ /g;

S-Faktor für Benzin: S = 0,765 cm ³ /g;

S-Faktor für Ethylenglykol: S = 0,849 cm ³ /g.

Fig. 5 zeigt die Schwingfrequenzen f von drei Stimmgabeln 2 aus Hastelloy in

Wechselwirkung mit drei unterschiedlichen Flüssigkeiten 6 in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C. Wie anhand der in Fig. 5 gezeigten Kurven klar ersichtlich ist, ist auch hier bei den nach der Formel (1 1 ) gestalteten Stimmgabeln 1 die Schwingfrequenz f unabhängig von der Temperatur. Die Frequenzabweichung der entsprechend gestalteten Stimmgabeln 1 im Temperaturbereich von (-20...+60)°C beträgt lediglich +0,01 Hz. Daher ist auch die Grenzstanddetektion von der Temperatur im Wesentlichen unabhängig. Die berechnete Abweichung des Schaltpunktes SP bei der Grenzstanddetektion liegt bei sehr guten 0,002 mm.

Erfindungsgemäß wird für jedes flüssige Medium 6, dessen Füllstand überwacht werden soll, und für jede Ausgestaltung (Form und Material) einer Stimmgabel oder Membran der S-Faktor berechnet. Insbesondere ist die Stimmgabel 1 so beschaffen, dass über den korrekten S-Faktor die Temperaturunabhängigkeit der Füllstandsmessung mittels des vibronischen Sensors erreicht wird. Bei Realisierung dieses S-Faktors zeigen die

Schwingfrequenz und die Eintauchtiefe h der schwingfähigen Einheit 1 keine

Abhängigkeit von der Temperatur.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt die folgenden Schritte ein:

1. Auf der Basis der Mediumseigenschaften (Temperaturkurve der Dichte) und aufgrund der Stimmgabeleigenschaften (Geometrie, Material und Temperaturdrift der

Schwingfrequenz) wird der S-Faktor der Stimmgabel 1 berechnet.

2. Aufgrund der Abhängigkeit des S-Faktors der Stimmgabel 1 von der Eintauchtiefe h, wird die optimale Eintauchtiefe h ^* ermittelt, bei der die Schwingfrequenz f unabhängig von der Temperatur T ist. Die optimale Eintauchtiefe h ^* definiert den Arbeitspunkt/Schaltpunkt SP der Stimmgabel 1 . Abhängig von der zu bestimmenden oder zu überwachenden Flüssigkeit 6 können sich relativ große Unterschiede in der Eintauchtiefe h zeigen. Diese Unterschiede in der Eintauchtiefe h können durchaus bis zu 15 mm betragen. 3. Um die Messung bzw. die Überwachung des Grenzstands temperaturunabhängig auf der optimalen Eintauchtiefe h ^* zu halten, wird die Schwingfrequenz f des vibronischen Sensors auf einen konstanten Wert geregelt.

Über diese besonders bevorzugte Ausgestaltung ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren bzw. den erfindungsgemäßen vibronischen Sensor zur Grenzstanddetektion in unterschiedlichen Flüssigkeiten einzusetzen. Es wir ein universeller,

temperaturunabhängiger vibronischer Sensor geschaffen.

Der vibronische Grenzstandsensor arbeitet je nach Ausgestaltung entweder hochpräzise in einem definierten flüssigen Medium 6 oder aber auch in beliebigen flüssigen Medien 6. Dies gilt insbesondere unter den folgenden Bedingungen: a) die Zusammensetzung des flüssigen Mediums 6 ändert sich nicht;

b) die Temperaturabhängigkeit der Dichte bekannt ist;

c) die funktionale Beziehung zwischen dem S-Faktor und der Eintauchtiefe h und die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz f des vibronischen Sensors sind bekannt.