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DE10346145B4 - Device for determining and / or monitoring the layer thickness of a liquid medium - Google Patents

Device for determining and / or monitoring the layer thickness of a liquid medium Download PDF

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DE10346145B4
DE10346145B4 DE2003146145 DE10346145A DE10346145B4 DE 10346145 B4 DE10346145 B4 DE 10346145B4 DE 2003146145 DE2003146145 DE 2003146145 DE 10346145 A DE10346145 A DE 10346145A DE 10346145 B4 DE10346145 B4 DE 10346145B4
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Germany
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medium
unit
buoyant body
carrier medium
layer thickness
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Helmut Pfeiffer
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Schichtdicke (gr) eines mindestens teilweise flüssigen Mediums (2), das sich auf einem mindestens teilweise flüssigen Trägermedium (1) befindet,
mit einem schwimmfähigen Körper (10),
der mindestens teilweise im Trägermedium (1) und/oder im Medium (2) schwimmt,
mit mindestens einer Messeinheit (15) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Grades, in dem der schwimmfähige Körper (10) vom Medium (2) und/oder vom Trägermedium (1) bedeckt ist,
wobei die Messeinheit (15) mindestens eine erste mechanisch schwingfähige Einheit (16) aufweist, die derartig ausgestaltet und im schwimmfähigen Körper (10) befestigt ist, dass aus der Frequenz und/oder aus der Amplitude der angeregten mechanischen Schwingungen der ersten mechanisch schwingfähigen Einheit (16) der Grad der Bedeckung des schwimmfähigen Körpers (10) bestimmbar ist,
und
mit einer Auswerteeinheit (20), die mindestens aus dem Grad der Bedeckung unter Ausnutzung des Effektes, dass der Auftrieb des schwimmfähigen Körpers (10) von der Schichtdicke (gr) des...Device for determining and / or monitoring the layer thickness (gr) of an at least partially liquid medium (2) which is located on an at least partially liquid carrier medium (1),
with a buoyant body (10),
which at least partially floats in the carrier medium (1) and / or in the medium (2),
with at least one measuring unit (15) for determining and / or monitoring the degree to which the buoyant body (10) is covered by the medium (2) and / or the carrier medium (1),
wherein the measuring unit (15) has at least one first mechanically oscillatable unit (16) which is designed and fixed in the buoyant body (10), from the frequency and / or the amplitude of the excited mechanical oscillations of the first mechanically oscillatable unit (16). 16) the degree of coverage of the buoyant body (10) is determinable,
and
with an evaluation unit (20), which at least from the degree of coverage, taking advantage of the effect that the buoyancy of the buoyant body (10) of the layer thickness (gr) of the ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Schichtdicke (gr) eines mindestens teilweise flüssigen Mediums, das sich auf einem mindestens teilweise flüssigen Trägermedium befindet.The The invention relates to a device for determination and / or monitoring the layer thickness (gr) of an at least partially liquid medium, which is located on an at least partially liquid carrier medium.

In Behältern – z.B. Tanks – befinden sich gelegentlich Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte, die sich nicht miteinander vermischen, sondern bei denen meist die Flüssigkeit mit der geringeren Dichte auf der Flüssigkeit mit der höheren Dichte schwimmt. Dies ist beispielsweise gegeben, wenn Kraftstoff -Diesel oder Benzin – auf Wasser befindlich ist. Bei solchen Behälter- oder Tankfüllungen ist es dann interessant, dass Verhältnis zwischen den beiden Flüssigkeiten zu bestimmen. D.h. es ist nicht nur der Füllstand aus beiden Flüssigkeiten oder Medien wichtig, sondern auch welchen Anteil die beiden Flüssigkeiten jeweils haben. Dies lässt sich beispielsweise über ein Füllstandsmessgerät realisieren – siehe z.B. das Messgerät „Liquiphant", welches von der Anmelderin hergestellt und vertrieben wird – in Verbindung mit einer Messeinrichtung, die die Position angibt, an welcher beide Flüssigkeiten aufeinandertreffen bzw. sich voneinander trennen. Bezüglich der Bestimmung der Lage dieser Grenzfläche siehe beispielsweise das US Patent US 6,353,407 , das Gebrauchsmuster DE 91 14 777 U1 oder das Patent DE 40 11 923 C2 . Eine solche Messeinrichtung erfordert jedoch die Verwendung von zwei Messgeräten. Es wäre einfacher und kostengünstiger, direkt die Schichtdicke eines Mediums auf einem Trägermedium zu bestimmen.In containers - eg tanks - there are occasionally liquids of different densities, which do not mix with each other, but in which usually the liquid with the lower density floats on the liquid with the higher density. This is for example given when fuel diesel or gasoline - is on water. In such tank or tank fills, it is interesting to determine the ratio between the two liquids. This means that not only is the level of both liquids or media important, but also what proportion of the two liquids each have. This can be achieved, for example, by means of a level measuring device - see, for example, the measuring device "Liquiphant", which is manufactured and sold by the Applicant - in conjunction with a measuring device which indicates the position at which both liquids meet or separate from one another Determining the position of this interface, see for example the US patent US 6,353,407 , the utility model DE 91 14 777 U1 or the patent DE 40 11 923 C2 , However, such a measuring device requires the use of two measuring devices. It would be easier and cheaper to directly determine the layer thickness of a medium on a support medium.

Dem US Patent US 5,408,874 ist ein Sensor zu entnehmen, der die Schichtdicke eines flüssigen Mediums bestimmt, welches sich auf einem Trägermedium befindet. Dafür sind ein Schwimmkörper, der zwischen dem Trägermedium und dem darauf befindlichen Medium schwimmt, und ein Auftriebskörper vorgesehen, der auf dem Medium schwimmt. Die Position des Schwimmkörpers wird mittels Ultraschall gemessen und aus dieser Position und der des Auftriebskörpers wird die Schichtdicke berechnet. Nachteilig ist, dass zwei Körper erforderlich sind, deren Position bestimmt werden muss.The US patent US 5,408,874 a sensor is to be taken which determines the layer thickness of a liquid medium which is located on a carrier medium. For this purpose, a floating body, which floats between the carrier medium and the medium located thereon, and a buoyant body is provided, which floats on the medium. The position of the floating body is measured by means of ultrasound and from this position and that of the buoyant body, the layer thickness is calculated. The disadvantage is that two bodies are required whose position must be determined.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bestimmung der Schichtdicke eines mindestens teilweise flüssigen Mediums auf einem mindestens teilweise flüssigen Trägermedium.The The object of the invention is therefore the determination of the layer thickness an at least partially liquid Medium on an at least partially liquid carrier medium.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Schichtdicke (gr) eines mindestens teilweise flüssigen Mediums, das sich auf einem mindestens teilweise flüssigen Trägermedium befindet, mit einem schwimmfähigen Körper, der mindestens teilweise im Trägermedium und/oder im Medium schwimmt, mit mindestens einer Messeinheit zur Bestimmung und/oder Überwachung des Grades, in dem der schwimmfähige Körper vom Medium und/oder vom Trägermedium bedeckt ist, wobei die Messeinheit mindestens eine erste mechanisch schwingfähige Einheit aufweist, die derartig ausgestaltet und im schwimmfähigen Körper befestigt ist, dass aus der Frequenz und/oder aus der Amplitude der angeregten mechanischen Schwingungen der ersten mechanisch schwingfähigen Einheit der Grad der Bedeckung des schwimmfähigen Körpers bestimmbar ist, und mit einer Auswerteeinheit, die mindestens aus dem Grad der Bedeckung unter Ausnutzung des Effektes, dass der Auftrieb des schwimmfähigen Körpers von der Schichtdicke (gr) des Mediums abhängt, die Schichtdicke (gr) des Mediums bestimmt und/oder überwacht.The Invention solves the object with a device for determination and / or monitoring the layer thickness (gr) of an at least partially liquid medium, which is located on an at least partially liquid carrier medium, with a buoyant body, the at least partially in the carrier medium and / or floats in the medium, with at least one measuring unit for Determination and / or monitoring the degree in which the buoyant body from the medium and / or the carrier medium is covered, wherein the measuring unit at least one first mechanically oscillatory unit having configured and fixed in the buoyant body is that from the frequency and / or from the amplitude of the excited mechanical vibrations of the first mechanically oscillatable unit the degree of covering of the buoyant body is determinable, and with an evaluation unit, at least from the degree of coverage taking advantage of the effect that the buoyancy of the buoyant body of the layer thickness (gr) of the medium depends, the layer thickness (gr) determined and / or monitored the medium.

Für die messtechnische Erfassung von Trennschichten – also der Schicht eines Mediums auf oder unter einem zweiten Medium, d.h. dem Trägermedium – muss man zunächst die Frage beantworten, welche Arten von Trennschichtmessungen man unterscheidet:

  • a) Trennschichten, die sich auf der Oberfläche eines Trägermedium befinden
  • b) Trennschichten, die sich am Tank- (oder allgemein Behälter-)boden sammeln
For the metrological detection of separation layers - ie the layer of a medium on or under a second medium, ie the support medium - one must first answer the question of which types of interface measurements are distinguished:
  • a) separation layers, which are located on the surface of a support medium
  • b) separating layers that collect at the tank (or generally container) bottom

Zu a) Trennschichten, die sich auf der Oberfläche einer Trägerflüssigkeit aufhalten, besitzen naturbedingt eine kleinere Dichte als das entsprechende Trägermedium. Es kann nicht aus einem Feststoff zusammengesetzt sein, weil Feststoffe i.d.R. eine größere Dichte aufweisen als die des entsprechenden Trägermediums. Eine Ausnahme stellen bestimmte Kunststoffe dar, die auf der Oberfläche des Mediums schwimmen (z.B. Styropor). Sie bilden allerdings keine geschlossene Trennschicht.To a) separating layers, which are on the surface of a carrier liquid naturally, have a smaller density than the corresponding one Carrier medium. It can not be composed of a solid because solids i.d.R. a greater density have as the corresponding carrier medium. Make an exception certain plastics floating on the surface of the medium (e.g. Styrofoam). However, they do not form a closed separation layer.

Zu b) Trennschichten, die sich am Boden eines Reservoirs bilden, bestehen i.d.R. aus Feststoffen, deren Dichte naturgemäß größer sein muss als die des entsprechenden Trägermediums.To b) separation layers, which form at the bottom of a reservoir consist i.d.R. from solids whose density naturally has to be greater than that of the corresponding one Carrier medium.

Das der Erfindung zugrundeliegende Messprinzip ist besonders für Trennschichten geeignet, die sich auf der Oberfläche eines Trägermediums bilden. Sie besitzen somit eine geringere Dichte als das Trägermedium. Die Idee besteht dabei darin, dass ein schwimmfähiger Körper in den Behälter gesetzt wird, der folglich mindestens auf dem Trägermedium schwimmen wird. Gleichzeitig wird eine Messeinheit benutzt, die den Grad – d.h. die Höhe des eingetauchten Körpers oder der Oberflächenanteil des Körpers, der benetzt wird, oder allgemein der Anteil des Körpers, der Kontakt mit dem Trägermedium oder dem Medium hat – bestimmt, zu welchem der Körper vom Medium / der Trennschicht und/oder dem Trägermedium benetzt wird. Für die Betrachtung sei zunächst von dem Fall ausgegangen, dass nur das Trägermedium vorhanden ist. Somit schwimmt der Körper nur in dem Trägermedium und die Messeinheit bestimmt also quasi den Tiefgang des Körpers im Trägermedium. Bildet sich auf der Oberfläche des Trägermediums eine Schicht des Mediums mit geringerer Dichte, so wird der Körper aufgrund des archimedischen Auftriebsgesetzes weiter einsinken. Dadurch misst die Messeinheit einen anderen Tiefgang bzw. einen anderen Bedeckungsgrad und aus der Änderung des Tiefganges kann über die Dichte des Mediums die Schichtdicke gr, d.h. die Dicke der Trennschicht, bestimmt werden. Der Auftrieb des Körpers ist dabei unabhängig vom absoluten Füllstand des Trägermediums. Ändert sich der absolute Füllstand, indem z.B. das Medium zufließt, so hat dies keine Änderungen auf die Messungen der Messeinheit, da der Auftrieb des schwimmfähigen Körpers, sein Tiefgang bzw. sein Grad der Bedeckung nicht durch den Füllstand an sich beeinflusst wird. Da das physikalische Phänomen des Auftriebs benutzt wird, ist somit keine Messung des Füllstandes an sich erforderlich. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist also wahrlich gelöst, und es wird vor allem nur ein Messgerät benötigt. Die Idee ist also, eine mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anzuregen. Die Einheit muss dabei so im schwimmfähigen Körper befestigt sein, dass die Bedeckung des Körpers auch die schwingfähige Einheit und somit die Frequenz und die Amplitude der Schwingungen der Einheit beeinflusst. Ist die Dichte des Mediums (ρ2) bekannt, so lässt sich aus der Frequenzänderung die entsprechende Schichtdicke bestimmen.The measuring principle on which the invention is based is particularly suitable for separating layers which form on the surface of a carrier medium. They thus have a lower density than the carrier medium. The idea is that a buoyant body is placed in the container, which will thus swim at least on the carrier medium. At the same time a measuring unit is used, which determines the degree - ie the height of the submerged body or the surface portion of the body which is wetted, or in general the proportion of the body having contact with the carrier medium or the medium - determines to which of the body of the medium / the separation layer and / or the carrier medium is wetted. For the consideration, let us start with the case that only the carrier medium is present. Thus, the body only floats in the carrier medium and the measuring unit thus determines the depth of the body in the carrier medium. If a layer of the medium with a lower density forms on the surface of the carrier medium, the body will continue to sink in due to the Archimedean buoyancy law. As a result, the measuring unit measures a different draft or a different degree of coverage and from the change in draft, the layer thickness gr, ie the thickness of the separating layer, can be determined via the density of the medium. The buoyancy of the body is independent of the absolute level of the carrier medium. If the absolute level changes, for example as the medium flows in, then this has no changes to the measurements of the measuring unit, since the buoyancy of the buoyant body, its draft or its degree of coverage is not affected by the level itself. Since the physical phenomenon of buoyancy is used, thus no measurement of the level is required per se. The problem underlying the invention is thus truly solved, and it is mainly only a meter needed. So the idea is to make a mechanically oscillatable unit vibrate. The unit must be fixed in the buoyant body in such a way that the coverage of the body also influences the unit that can vibrate and thus the frequency and amplitude of the vibrations of the unit. If the density of the medium (ρ2) is known, the corresponding layer thickness can be determined from the change in frequency.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der schwimmfähige Körper mit einem einstellbaren Tiefgang mindestens teilweise im Trägermedium und/oder in dem Medium schwimmt. Dies ermöglicht die Einstellung von entsprechenden Startwerten und dient auch der Einstellung eines nötigen Tiefganges, so dass der Körper stabil schwimmt und nicht beispielsweise bei einer Befüllung des Behälters umkippt. Eine Realisierung besteht beispielsweise in Gewichten, mit denen der Körper beschwert wird.A advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the buoyant body with an adjustable draft at least partially in the carrier medium and / or floating in the medium. This allows the Setting of appropriate starting values and also serves the adjustment a necessary one Draft, leaving the body floats stable and not for example in a filling of the container tip over. An implementation is for example in weights, with which the body is complained about.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der schwimmfähige Körper mindestens eine zweite mechanisch schwingfähige Einheit aufweist, die vollständig vom Trägermedium bedeckt ist, und wobei die Frequenz und/oder die Amplitude der mechanischen Schwingungen der zweiten mechanisch schwingfähigen Einheit zur Referenzierung der Auswertung der Schwingungen der ersten mechanisch schwingfähigen Einheit dient/dienen. Diese Ausgestaltung ist für den Fall relevant, dass der schwimmfähige Körper in den Behälter gesetzt wird unter den Umständen, dass sich bereits das Trägermedium und das Medium in ihm befinden. Dieser Fall verhindert, dass direkt aus einer Änderung der Eintauchtiefe bzw. des Grades der Bedeckung auf die Schichtdicke geschlossen wird, da die anfängliche Schichtdicke des Mediums normalerweise nicht bekannt ist. Über die Schwingungen der zweiten Einheit lassen sich jedoch die Schwingbedingungen im Trägermedium bestimmen und somit lässt sich über die Abhängigkeit der Dichten des Mediums ρ2 und des Trägermediums ρ1 auch die anfängliche Schichtdicke des Mediums berechnen. Über die zweite schwingfähige Einheit kann also quasi der Zustand ohne Medium berechnet werden.A advantageous embodiment provides that the buoyant body at least a second mechanically oscillatable Unit that is complete from the carrier medium is covered, and wherein the frequency and / or the amplitude of the mechanical Vibrations of the second mechanically oscillatable unit for referencing the evaluation of the vibrations of the first mechanically oscillatable unit serve / serve. This embodiment is relevant to the case that the floatable body in the container is put under the circumstances that already the carrier medium and the medium is in it. This case prevents being directly from a change the depth of immersion or the degree of coverage on the layer thickness closed because the initial Layer thickness of the medium is not normally known. About the Vibrations of the second unit, however, can be the vibration conditions in the carrier medium determine and thus leave over the dependence the densities of the medium ρ2 and the carrier medium ρ1 also the initial Calculate layer thickness of the medium. About the second oscillatory unit So you can almost calculate the condition without medium.

Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass der schwimmfähige Körper mindestens eine dritte mechanisch schwingfähige Einheit aufweist, die unbedeckt vom Trägermedium und vom Medium ist, und wobei die Frequenz der mechanischen Schwingungen der dritten mechanisch schwingfähigen Einheit in Verbindung mit der Frequenz der mechanischen Schwingungen der zweiten mechanisch schwingfähigen Einheit die Bestimmung der Dichte (ρ1) des Trägermediums dient. Diese dritte Einheit steht also beispielsweise in Kontakt mit dem Gas oder der Luft, die sich in dem Behälter befindet. Diese dritte Einheit ermöglicht die Bestimmung der Dichte des Trägermediums ρ1: Die Frequenzdifferenz der Schwingungen der dritten schwingfähigen Einheit und der der zweiten schwingfähigen Einheit ist proportional zur Dichte ρ1 des Trägermediums. Somit kann diese automatisch bestimmt werden. Ändert sich diese Frequenzdifferenz, so ist dies durch eine Dichteänderung zu erklären, die sich bei einer Änderung der Temperatur des Trägermediums einstellt. Somit wird auch für die Berechnung der Schichtdicke des Mediums automatisch die Dichte des Trägermediums ρ1 nachgeführt und muss nicht beispielsweise über eine Temperaturmessung und einer bekannten Temperaturabhängigkeit der Dichte des Trägermediums ρ1 korrigiert werden.A further embodiment includes that the buoyant body at least a third mechanically oscillatable Unit which is uncovered by the carrier medium and the medium, and the frequency of the mechanical vibrations of the third mechanical vibratory Unit in connection with the frequency of the mechanical vibrations the second mechanically oscillatable Unit is the determination of the density (ρ1) of the carrier medium. This third Unit is therefore in contact with the gas or the gas, for example Air, which is in the container located. This third unit allows the determination of the density of the Carrier medium ρ1: The frequency difference the vibrations of the third oscillatory unit and that of the second vibratory Unit is proportional to the density ρ1 of the carrier medium. Thus, this can be determined automatically. Changes this frequency difference, this is due to a density change to explain, which is a change the temperature of the carrier medium established. Thus, also for the calculation of the layer thickness of the medium automatically determines the density tracked the carrier medium ρ1 and does not have to be over for example a temperature measurement and a known temperature dependence the density of the carrier medium ρ1 corrected become.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten mechanisch schwingfähigen Einheit um eine schwingfähige Membran handelt. Eine solche Membran erlaubt es vor allem, dass der schwimmfähige Körper in sich geschlossen bleibt und keine nach außen oder innenreichenden Elemente aufweist. Eine konstruktiv vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine kreisförmige Membran vor.A Embodiment provides that it is the first and / or the second and / or the third mechanically oscillatable unit about a vibratable membrane is. Such a membrane allows, above all, that the buoyant body in remains closed and no outward or inward reaching elements having. A structurally advantageous embodiment provides a circular membrane in front.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteinheit für die Bestimmung der Schichtdicke (gr) des Mediums mindestens die Dichte (ρ2) des Mediums benutzt. In den meisten Anwendungen ist die Dichte des Mediums als bekannt vorauszusetzen. Die Dichte ließe sich beispielsweise bestimmen, wenn eine vierte schwingfähige Einheit vorhanden ist, die vollständig vom Medium bedeckt ist.An advantageous embodiment provides that the evaluation unit for determining the layer thickness (gr) of the medium at least the density (ρ2) of the medium used. In most applications, the density of the medium is assumed to be known. The density could be, for example determine if there is a fourth oscillatory unit completely covered by the medium.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass über die Messung der Temperatur der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten mechanisch schwingfähigen Einheit eine Temperaturkorrektur für die Bestimmung der Schichtdicke (gr) des Mediums erfolgt. An den schwingfähigen Einheiten sind also entsprechende Temperaturfühler anzubringen, die somit auch eine Temperaturaussage über das Trägermedium, das Medium und über die Umgebung liefern können. Da die z.B. in Tanks gelagerten Flüssigkeiten oft starken Temperaturschwankungen unterliegen und sich somit die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheiten ändert, ist es notwendig, eine entsprechende Frequenzkompensation vorzusehen. Bei Temperaturänderungen erfährt z.B. eine Membran eine geringfügige Längenänderung sowohl in axialer wie auch in Querrichtung. Die Vorspannung der Membran nimmt dadurch ab, was gleichzeitig zu einer Frequenzabnahme führt. Um diese Längenänderungen auszugleichen, ist die komplette Konstruktion – schwimmfähiger Körper und schwingfähige Einheit der Messeinheit – aus Materialen aufgebaut, die gleiche Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Temperaturschwankungen lassen sich beispielsweise über elektronische Maßnahmen durch Messung der Membrantemperatur und entsprechende Korrektur der gemessenen Membranfrequenz über eine in einem Mikroprozessor abgelegte Temperatur-Frequenzkurve kompensieren.A advantageous embodiment provides that on the measurement of the temperature the first and / or the second and / or the third mechanically vibratory Unit is a temperature correction for the determination of the layer thickness (gr) of the medium takes place. At the oscillatory units are so appropriate temperature sensor to attach, which thus also a temperature statement on the carrier medium, the medium and over can deliver the environment. Since the e.g. In tanks stored liquids often strong temperature fluctuations subject and thus changes the oscillation frequency of the oscillatory units, is it is necessary to provide an appropriate frequency compensation. With temperature changes learns e.g. a membrane a minor change in length both in the axial and in the transverse direction. The bias of Membrane decreases as a result, which at the same time to a frequency decrease leads. To these changes in length balance is the complete construction - buoyant body and swinging unit the measuring unit - off Constructed materials that have the same coefficients of expansion. temperature fluctuations can be over, for example electronic measures by measuring the membrane temperature and corresponding correction the measured membrane frequency over compensate for a stored in a microprocessor temperature-frequency curve.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messeinheit und die Auswerteinheit direkt oder über elektro-magnetische Wellen miteinander verbunden sind. Die Auswerteeinheit kann wie die Messeinheit im schwimmfähigen Körper befindlich sein, so dass nur die Schichtdicke gr nach außen zu einem Empfänger übertragen werden muss. In diesem Fall wäre die Verbindung direkt, da sich beide Einheiten im gleichen Körper befinden. Die Auswerteeinheit und somit auch eine Anzeigeeinheit für die Schichtdicke können sich in einer weiteren Ausgestaltung außerhalb des Behälters verbinden. Eine direkte Verbindung zwischen der Messeinheit und Auswerteeinheit kann in diesem Fall beispielsweise direkt über einen Draht erfolgen. Besonders bei der direkten Verbindung ist jedoch darauf zu achten, dass der Auftrieb des schwimmfähigen Körpers nicht beeinflusst wird. Indirekte Verbindungen sind z.B. über Radiowellen, Infrarot oder auch über Bluetooth® möglich.An embodiment provides that the measuring unit and the evaluation unit are connected to each other directly or via electromagnetic waves. Like the measuring unit, the evaluation unit can be located in the buoyant body, so that only the layer thickness gr must be transmitted to the outside to a receiver. In this case, the connection would be direct because both units are in the same body. The evaluation unit and thus also a display unit for the layer thickness can connect in a further embodiment outside of the container. A direct connection between the measuring unit and evaluation can be done in this case, for example, directly via a wire. Especially with the direct connection, however, care must be taken that the buoyancy of the buoyant body is not affected. Indirect connections are possible eg via radio waves, infrared or via Bluetooth ® .

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.The The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings.

Es zeigt:It shows:

1: eine erste Ausgestaltung des schwimmfähigen Körpers mit drei schwingfähigen Einheiten, 1 : a first embodiment of the buoyant body with three oscillatory units,

2: eine zweite Ausgestaltung des schwimmfähigen Körpers, und 2 a second embodiment of the buoyant body, and

3a und b: eine schematische Darstellung des Messprinzips zur Bestimmung der Schichtdicke. 3a and b: a schematic representation of the measuring principle for determining the layer thickness.

1 zeigt einen rechteckförmig aufgebauter Hohlkörper aus Stahl. Dieser schwimmfähige Körper 10 ist in diesem Fall derart konzipiert, dass er auf der Oberfläche eines Trägermediums 1 schwimmt. 1 shows a rectangular shaped hollow body made of steel. This buoyant body 10 In this case, it is designed to be on the surface of a carrier medium 1 swims.

Der schwimmfähige Körper 10 besitzt auf einer seiner Seitenflächen eine rechteckige Membrane, die durch entsprechende Abgrenzungsmassen von den übrigen Bauteilen schwingungsmäßig entkoppelt ist und die die erste mechanisch schwingfähige Einheit 16 des Körpers 10 ist. Im Innenraum des Hohlkörpers 10 auf der abgegrenzten Membrane 16 ist dort, wo die höchsten mechanischen Spannungen auftreten, ein piezoelektrisches Plättchen -nicht dargestellt – mit einem temperaturbeständigem Kleber befestigt. Das Plättchen regt die Membran 16 in ihrer ersten Eigenschwingung an. Die Grundschwingung liegt beispielsweise im Bereich < 1kHz. Ein entsprechendes Empfangselement – graphisch nicht dargestellt – wird auf die gleiche Weise wie das Sendeelement am Rand der anderen Plattenseite befestigt.The buoyant body 10 has on one of its side surfaces a rectangular diaphragm which is decoupled by corresponding demarcation masses of the other components vibrationally and the first mechanically oscillatable unit 16 of the body 10 is. In the interior of the hollow body 10 on the demarcated membrane 16 is where the highest mechanical stresses occur, a piezoelectric plate - not shown - fixed with a temperature-resistant adhesive. The platelet excites the membrane 16 in their first natural vibration. The fundamental frequency is, for example, in the range of <1 kHz. A corresponding receiving element - not shown graphically - is attached in the same way as the transmitting element at the edge of the other side of the plate.

Eine zylindrische Form für den Körper 10 ist nicht zwingend. Die Temperaturschwanken können durch entsprechende Frequenzkompensationen ausgeglichen werden. Die Auswirkungen der Temperaturänderungen können jedoch auch durch die Konstruktion des schwimmfähigen Körpers 10 vermindert werden. Vorzugsweise sind der komplette Körper 10 und die mechanisch schwingfähige Einheit 16 – entsprechendes gilt für die weiteren Einheiten 17 und 18 – aus Materialien mit im Wesentlichen gleichen Ausdehnungskoeffizienten beschaffen. Die Membran 16 ist vorzugsweise mit Stäben 10.2 und Ringen 10.3 (2) zusammengehalten. Die Vorspannung bleibt somit nahezu erhalten, sieht man von geringen Temperaturgradienten innerhalb des mechanischen Aufbaus ab.A cylindrical shape for the body 10 is not mandatory. The temperature fluctuations can be compensated by appropriate frequency compensation. However, the effects of temperature changes may also be due to the design of the buoyant body 10 be reduced. Preferably, the entire body 10 and the mechanically oscillatable unit 16 - The same applies to the other units 17 and 18 - procure materials with substantially equal expansion coefficients. The membrane 16 is preferably with bars 10.2 and wrestling 10.3 ( 2 ) held together. The bias is thus almost preserved, apart from small temperature gradients within the mechanical structure.

Der Mantel 10.1 des Hohlkörpers besteht aus einem dünnen Metall entsprechend dem Membranmaterial.The coat 10.1 of the hollow body consists of a thin metal corresponding to the membrane material.

Im folgenden werden noch zwei Besonderheiten des schwimmfähigen Körpers 10 in der 1 beschrieben: Wird der Hohlkörper 10 in das Trägermedium 1 gelegt, auf der sich bereits eine gewisse Schicht des Mediums 2 – d.h. die Trennschicht – befindet, deren Dicke gr man bestimmen möchte, bietet sich folgende Messmöglichkeit an: Der Hohlkörper 10 erhält zusätzlich zur ersten mechanisch schwingfähige Einheit 16, die als Messeinheit 15 dient, eine weitere, eine zweite schwingende Einheit 17, die im eingetauchten Zustand nur mit dem Trägermedium 1 in Berührung steht. Sinnvollerweise ist diese auf der Stirnseite des Zylinders 10 angeordnet und wird ebenfalls mit einem piezoelektrischen Element angeregt. Da der Anfangszustand der schwingfähigen Einheit 16 – also quasi der Nullwert mit gr = 0 – durch das anfängliche Vorhandensein des Mediums 2 nicht bekannt ist, ist dieser Anfangspunkt jetzt mit der vorzugsweise stirnseitig und mit dem Trägermedium 1 in Berührung stehenden Membran 17 bestimmbar, da diese Membran 17 immer mit dem Trägermedium 1 in Berührung steht.In the following are two more peculiarities of the buoyant body 10 in the 1 described: Will the hollow body 10 in the carrier medium 1 laid on which there is already a certain layer of the medium 2 - That is, the separation layer - is located, the thickness of which one wants to determine gr offers the following measurement option: The hollow body 10 receives in addition to the first mechanically oscillatable unit 16 acting as a measurement unit 15 serves, another, a second swinging unit 17 , in the immersed state only with the carrier medium 1 in contact. Logically, this is on the front of the cylinder 10 arranged and is also excited with a piezoelectric element. Since the initial state of the oscillatory unit 16 - that is, virtually the zero value with gr = 0 - by the initial presence of the medium 2 is not known, this starting point is now with the preferably end face and with the carrier medium 1 in contact membrane 17 determinable because this membrane 17 always with the carrier medium 1 in contact.

Daher sind also zwei schwingfähige Einheiten 16 und 17 für den Fall erforderlich, dass der schwimmfähige Körper 10 in das Trägermedium 1 eingesetzt wird, auf dem bereits das Medium 2 befindlich ist.Therefore, therefore, are two oscillatory units 16 and 17 in the event that required the buoyant body 10 in the carrier medium 1 is used on which already the medium 2 is located.

Über die dritte schwingfähige Einheit 18 ist sogar die Bestimmung der Dichte des Trägermediums 1 ρ1 möglich: Die Differenz der Frequenzen der Schwingungen der dritten 18 und der zweiten 17 schwingfähigen Einheit ist der Dichte des Trägermediums ρ1 direkt proportional. Somit ist also jeweils für die Berechnung der Schichtdicke gr die benötigte Dichte des Trägermediums ρ1 gegeben und dies sogar passend, wenn eine Temperaturänderung zu einer Änderung der Dichte des Trägermediums ρ1 führt.About the third oscillating unit 18 is even the determination of the density of the carrier medium 1 ρ1 possible: the difference of the frequencies of the vibrations of the third 18 and the second 17 oscillatory unit is directly proportional to the density of the carrier medium ρ1. Thus, in each case the required density of the carrier medium ρ1 is given for the calculation of the layer thickness gr, and this is even suitable if a temperature change leads to a change in the density of the carrier medium ρ1.

Die 3a und b zeigen allgemein das Messprinzip der Erfindung. In 3a ist ein Behälter oder Tank 5 mit einem Trägermedium 1 der Dichte ρ1 skizziert. Auf der Oberfläche des Trägermedium 1 schwimmt ein Hohlkörper 10 mit einer in Schwingungen versetzten Rechteckmembran 16, die etwa 20% der Fensterhöhe vom unteren Rand mit Trägermedium 1 bedeckt ist und in ihrer Grundfrequenz schwingt (die Eintauchtiefe oder der Tiefgang ist hier also ein Maß für den Grad der Bedeckung des schwimmfähigen Körpers). Die Schwingfrequenz f1, die abhängig von der Geometrie der Schwingmembran ist, beträgt ca. 800Hz. Dies ist die Messeinheit 15. Bildet sich nun auf der Oberfläche des Trägermediums 1 eine Flüssigkeitsschicht 2 (3b) mit der Dichte ρ2, wobei ρ2 < ρ1 ist, wird der Hohlkörper 10 entsprechend dem archimedischen Prinzip um Δh weiter einsinken. Die Einsinktiefe ist abhängig von den beiden Dichten ρ2 und ρ1 der beiden Flüssigkeiten 1 und 2 und der Schichtdicke gr des Mediums 2, also der Trennschicht. Die Grenzfläche zwischen dem Trägermedium 1 und der Trennschicht 2 verschiebt sich gleichzeitig auf die Höhe ho.The 3a and b generally show the measuring principle of the invention. In 3a is a container or tank 5 with a carrier medium 1 the density ρ1 sketched. On the surface of the carrier medium 1 a hollow body floats 10 with a vibrated rectangular membrane 16 covering about 20% of the window height from the bottom edge with support medium 1 is covered and vibrates in its fundamental frequency (the depth of immersion or draft is thus a measure of the degree of coverage of the buoyant body). The oscillation frequency f1, which is dependent on the geometry of the oscillating membrane, is about 800 Hz. This is the measurement unit 15 , Forms now on the surface of the carrier medium 1 a liquid layer 2 ( 3b ) with the density ρ2, where ρ2 <ρ1, becomes the hollow body 10 according to the Archimedean principle sink further by Δh. The sinking depth depends on the two densities ρ2 and ρ1 of the two liquids 1 and 2 and the layer thickness gr of the medium 2 So the separation layer. The interface between the carrier medium 1 and the release layer 2 shifts simultaneously to the height ho.

Taucht der Hohlkörper 10 aufgrund der Trennschicht 2 in das Trägermedium 1 weiter ein, so wird eine größere Fläche der Schwingmembran 16 mit Flüssigkeit benetzt. Dies führt zu einer Änderung der Schwingfrequenz, die in direktem Zusammenhang zur Schichtdicke gr des Mediums 2 steht. Die Eintauchtiefe lässt sich dabei in ein mathematisch-physikalisches Modell fassen. Die gesamte Eintauchtiefe ist dabei über eine Zusatzmasse einstellbar.Immerse the hollow body 10 due to the separation layer 2 in the carrier medium 1 a further, so is a larger area of the vibrating diaphragm 16 wetted with liquid. This leads to a change in the oscillation frequency, which is directly related to the layer thickness gr of the medium 2 stands. The immersion depth can be summarized in a mathematical-physical model. The entire immersion depth is adjustable via an additional mass.

Im Behälter befindet sich zu diesem Zeitpunkt (3a) noch keine Trennschicht 2 und die Schwingmembran 16 liefert eine Schwingfrequenz von ca. 580Hz. Bildet sich nun im Laufe der Zeit (3b) eine Trennschicht 2, deren Dichte ρ2 bekannt ist, wird der Hohlkörper 10 weiter einsinken. Die Membran 16 schwingt mit einer kleineren Frequenz, weil ein größerer Bereich der Membran 16 mit dem Trägermedium 1 und dem Medium 2 benetzt ist. Gleichzeitig nimmt die Höhe des Trägermediums 1 im Membranbereich ab.In the container is at this time ( 3a ) no separation layer yet 2 and the vibrating membrane 16 provides an oscillation frequency of approx. 580Hz. Forms over time ( 3b ) a release layer 2 whose density ρ2 is known becomes the hollow body 10 sink further. The membrane 16 resonates at a smaller frequency because of a larger area of the diaphragm 16 with the carrier medium 1 and the medium 2 is wetted. At the same time, the height of the carrier medium decreases 1 in the membrane area.

Beträgt die Trennschicht gr z.B. 15mm, würde die Frequenz der Schwingmembran 16 ca. 480 Hz betragen. Die Änderung der Schwingfrequenz ist von der anfänglichen Benetzungshöhe des Trägermediums 1 auf der Schwingmembran 16 abhängig. Die Dichten der Trennschicht/des Mediums 2 ρ2 und die des Trägermediums 1 ρ1 müssen bekannt sein. Die Dichte des Trägermediums 1 ρ1 lässt sich – wie oben ausgeführt – mittels der zweiten 17 und dritten schwingfähigen Einheit 18 automatisch bestimmen und ist bei dieser Methode sogar temperaturkorrigiert, indem jeweils die passende Dichte bestimmt wird. Wichtig ist vor allem auch die Dichte des Mediums 2 ρ2, da es auch zu folgendem Fall kommen kann: Ändert sich durch die Änderung der Trennschicht, also der Schichtdicke gr des Mediums 2, die Eintauchtiefe nur gering und ist gleichzeitig das Medium 2 relativ zum Trägermedium 1 sehr leicht, so ist es möglich, dass die Frequenzänderung, die sich durch die Änderung der Grenzfläche zwischen Medium 2 und Trägermedium 1 ergibt und die mit einer Frequenzerhöhung verbunden ist – die Membran 16 wechselwirkt mehr mit einer Flüssigkeit mit geringerer Dichte – größer ist als die Frequenzänderung, die mit dem erhöhten Tiefgang einhergeht. Somit ist in diesem Fall eine Frequenzerhöhung das Zeichen dafür, dass die Schichtdicke gr der Trennschicht größer geworden ist.If the separating layer is, for example, 15 mm, the frequency of the vibrating diaphragm would be 16 about 480 Hz. The change in oscillation frequency is from the initial wetting height of the support medium 1 on the vibration membrane 16 dependent. The densities of the release layer / medium 2 ρ2 and that of the carrier medium 1 ρ1 must be known. The density of the carrier medium 1 ρ1 can be - as stated above - using the second 17 and third oscillatory unit 18 Automatically determine and is even temperature-corrected in this method by each of the appropriate density is determined. Especially important is the density of the medium 2 ρ2, as it can also lead to the following case: Changes due to the change of the separation layer, ie the layer thickness gr of the medium 2 , the immersion depth is low and at the same time the medium 2 relative to the carrier medium 1 very easily, it is possible that the frequency change resulting from the change of the interface between medium 2 and carrier medium 1 results and which is associated with a frequency increase - the membrane 16 interacts more with a lower density liquid - greater than the frequency change associated with the increased draft. Thus, in this case, a frequency increase is the sign that the layer thickness gr of the separating layer has become larger.

11
Trägermediumtransfer medium
22
Mediummedium
55
Behältercontainer
1010
Schwimmfähiger KörperFloatable body
10.110.1
Metallmantelmetal sheath
10.210.2
Spannstäbetensioning rods
10.310.3
Spannringclamping ring
1515
Messeinheitmeasuring unit
1616
Erste mechanisch schwingfähige EinheitFirst mechanically oscillatable unit
1717
Zweite mechanisch schwingfähige EinheitSecond mechanically oscillatable unit
1818
Dritte mechanisch schwingfähige Einheitthird mechanically oscillatable unit
2020
Auswerteinheitevaluation

Claims (8)

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Schichtdicke (gr) eines mindestens teilweise flüssigen Mediums (2), das sich auf einem mindestens teilweise flüssigen Trägermedium (1) befindet, mit einem schwimmfähigen Körper (10), der mindestens teilweise im Trägermedium (1) und/oder im Medium (2) schwimmt, mit mindestens einer Messeinheit (15) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Grades, in dem der schwimmfähige Körper (10) vom Medium (2) und/oder vom Trägermedium (1) bedeckt ist, wobei die Messeinheit (15) mindestens eine erste mechanisch schwingfähige Einheit (16) aufweist, die derartig ausgestaltet und im schwimmfähigen Körper (10) befestigt ist, dass aus der Frequenz und/oder aus der Amplitude der angeregten mechanischen Schwingungen der ersten mechanisch schwingfähigen Einheit (16) der Grad der Bedeckung des schwimmfähigen Körpers (10) bestimmbar ist, und mit einer Auswerteeinheit (20), die mindestens aus dem Grad der Bedeckung unter Ausnutzung des Effektes, dass der Auftrieb des schwimmfähigen Körpers (10) von der Schichtdicke (gr) des Mediums (2) abhängt, die Schichtdicke (gr) des Mediums (2) bestimmt und/oder überwacht.Device for determining and / or monitoring the layer thickness (gr) of an at least partially liquid medium ( 2 ) which is located on an at least partially liquid carrier medium ( 1 ), with a buoyant body ( 10 ), at least partially in the carrier medium ( 1 ) and / or in the medium ( 2 ) floats, with at least one measuring unit ( 15 ) for determining and / or monitoring the degree to which the buoyant body ( 10 ) from the medium ( 2 ) and / or from the carrier medium ( 1 ), the measuring unit ( 15 ) at least one first mechanically oscillatable unit ( 16 ) designed in such a way and in the buoyant body ( 10 ) is fixed, that from the frequency and / or from the amplitude of the excited mechanical vibrations of the first mechanically oscillatable unit ( 16 ) the degree of coverage of the buoyant body ( 10 ) and with an evaluation unit ( 20 ), at least from the degree of coverage, taking advantage of the effect that the buoyancy of the buoyant body ( 10 ) of the layer thickness (gr) of the medium ( 2 ), the layer thickness (gr) of the medium ( 2 ) and / or monitored. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der schwimmfähige Körper (10) mit einem einstellbaren Tiefgang mindestens teilweise im Trägermedium (1) und/oder in dem Medium (2) schwimmt.Apparatus according to claim 1, wherein the buoyant body ( 10 ) with an adjustable draft at least partially in the carrier medium ( 1 ) and / or in the medium ( 2 ) is swimming. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der schwimmfähige Körper (10) mindestens eine zweite mechanisch schwingfähige Einheit (17) aufweist, die vollständig vom Trägermedium (1) bedeckt ist, und wobei die Frequenz und/oder die Amplitude der mechanischen Schwingungen der zweiten mechanisch schwingfähigen Einheit (17) zur Referenzierung der Auswertung der Schwingungen der ersten mechanisch schwingfähigen Einheit (16) dient/dienen.Apparatus according to claim 1, wherein the buoyant body ( 10 ) at least one second mechanically oscillatable unit ( 17 ) completely from the carrier medium ( 1 ) and wherein the frequency and / or the amplitude of the mechanical vibrations of the second mechanically oscillatable unit ( 17 ) for referencing the evaluation of the vibrations of the first mechanically oscillatable unit ( 16 ) serves / serve. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der schwimmfähige Körper (10) mindestens eine dritte mechanisch schwingfähige Einheit (18) aufweist, die unbedeckt vom Trägermedium (1) und vom Medium (2) ist, und wobei die Frequenz der mechanischen Schwingungen der dritten mechanisch schwingfähigen Einheit (18) in Verbindung mit der Frequenz der mechanischen Schwingungen der zweiten mechanisch schwingfähigen Einheit (17) die Bestimmung der Dichte (ρ1) des Trägermediums (1) dient.Apparatus according to claim 3, wherein the buoyant body ( 10 ) at least one third mechanically oscillatable unit ( 18 ) uncovered from the carrier medium ( 1 ) and the medium ( 2 ), and wherein the frequency of the mechanical vibrations of the third mechanically oscillatable unit ( 18 ) in conjunction with the frequency of the mechanical vibrations of the second mechanically oscillatable unit ( 17 ) the determination of the density (ρ1) of the carrier medium ( 1 ) serves. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 3 und/oder 4, wobei es sich bei der ersten (16) und/oder der zweiten (17) und/oder der dritten mechanisch schwingfähigen Einheit (18) um eine schwingfähige Membran handelt.Device according to claim 1 and / or 3 and / or 4, wherein it is in the first (16) and / or the second (17) and / or the third mechanically oscillatable unit ( 18 ) is a vibratable membrane. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteinheit (20) für die Bestimmung der Schichtdicke (gr) des Mediums (2) mindestens die Dichte (ρ2) des Mediums (2) benutzt.Apparatus according to claim 1, wherein the evaluation unit ( 20 ) for determining the layer thickness (gr) of the medium ( 2 ) at least the density (ρ2) of the medium ( 2 ) used. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei über die Messung der Temperatur der ersten (16) und/oder der zweiten (17) und/oder der dritten mechanisch schwingfähigen Einheit (18) eine Temperaturkorrektur für die Bestimmung der Schichtdicke (gr) des Mediums (2) erfolgt.Device according to at least one of claims 1 to 6, wherein the measurement of the temperature of the first ( 16 ) and / or the second ( 17 ) and / or the third mechanically oscillatable unit ( 18 ) a temperature correction for the determination of the layer thickness (gr) of the medium ( 2 ) he follows. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messeinheit (15) und die Auswerteinheit (20) direkt oder über elektro-magnetische Wellen miteinander verbunden sind.Apparatus according to claim 1, wherein the measuring unit ( 15 ) and the evaluation unit ( 20 ) are connected to each other directly or via electromagnetic waves.
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