CH675476A5

CH675476A5 -

Info

Publication number: CH675476A5
Application number: CH3745/87A
Authority: CH
Inventors: Edwin Steinebrunner; Peter Renk
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1987-09-28
Publication date: 1990-09-28
Also published as: GB2195445A; JP2509248B2; IT1222743B; DE3633047C2; FR2604519B1; CA1281122C; JPS63171386A; GB2195445B; IT8722040A0; US4850213A; DE3633047A1; AU7738087A; GB8721801D0; AU585170B2; FR2604519A1; ZA876338B

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Fülistandmessgerät zum Messen des Füllstandes in einem Behälter mit explosionsgefährdeter Innenzone, mit einem Schalloder Ultraschallwandler zur Aussendung von Schall- oder Ultraschallimpulsen und zum Empfang der an der Oberfläche des Füllgutes reflektierten Echoimpulse, wobei der Schall- oder Ultraschallwandler ein piezoelektrisches Element und eine Membrane aus Metall aufweist und mittels eines Flansches aus Metall über einer Öffnung des Behälters mit diesem verbunden ist.

Für die Messung des Füllstandes mit elektrisch betriebenen Füllstandmessgeräten, wie z.B. Schalloder Ultraschallfüllstandmessgeräten in Behältern mit explosionsgefährdeter Innenzone, ist es notwendig, Massnahmen zu ergreifen, um die elektrischen Betriebsmittel des Füllstandmessgerätes flamm-durchschlagsicher von der Innenzone des Behälters zu trennen. Diese Trennung ist auch gegenüber der Atmosphäre für die Öffnung des Behälters notwendig, über welcher das Fülistandmessgerät notwendigerweise so an den Behälter montiert wird, dass es mit der explosionsgefährdeten Innenzone in räumlicher Verbindung steht.

Nach dem deutschen Gebrauchsmuster G 8 332 045.8 wird der Ultraschallsensor eines Füllstandmessgerätes vorgeschlagen, der zum Einsatz in einem Behälter mit durch brennbare Stäube explosionsgefährdeter Innenzone geeignet ist. Gelöst ist die Aufgabe bei dem bekannten Sensor durch ein Metallgehäuse, das den Sensortopf staubdicht um-schliesst, und eine im Innern des Gehäusetopfes verlaufende Leitungsanordnung, die elektrisch leitend zum Zweck des Potentialausgleiches mit der Metallmembrane verbunden ist.

Eine andere Lösung der gleichen Aufgabe ist durch einen im Handel erhältlichen anderen Ultraschallsensor bekanntgeworden. Hier ist der Ultraschallsensor mit einem ringzylindrischen Schaft ausgestattet, der eine zentrische Bohrung des Befestigungsflansches durchdringt und koaxial von einer Buchse umschlossen wird. Dabei ist die Buchse so zwischen dem Schaft und dem Flansch angeordnet, dass zwischen der zylindrischen Oberfläche der Buchse und der Innenwand der zentrischen Bohrung des Befestigungsflansches ein ringzylindrischer Luftspalt entsteht, der so bemessen ist, dass er eine flammendurchschlagsichere Trennung zwischen explosiblen und nichtexplosiblen Bereichen bildet. Der eigentliche Ultraschallwandler ragt dann, unterhalb des ringzylindrischen Schaftes angeordnet und von einem Metallgehäuse umgeben, in die Innenzone des Behälters.

Beide bisher bekanntgewordenen Lösungen sind durch die Nachteile gekennzeichnet, dass die Lösungen aufwendig sind, dazu viele Teile mit unterschiedlichen Werkstoffen benötigt werden, die alle mit dem Medium in Verbindung stehen und deshalb insbesondere bei aggressiven Medien die Sicherheit und die Lebensdauer des Messgerätes erheblich herabsetzen; ausserdem ist bei den bisher bekannten Lösungen ein erheblicher Aufwand für die

Montage und Demontage des Messgerätes notwendig.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Füllstandmessgerätes, das mit geringem Aufwand hergestellt, leicht montiert oder demontiert werden kann, eine absolute Trennung der elektrischen Betriebsmittel sowie der Atmosphäre von der explosionsgefährdeten Innenzone des Behälters gewährleistet und deshalb für den Einsatz in Behältern mit explosionsgefährdeter Innenzone geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmale.

Darüber hinaus bietet das erfindungsgemässe Füllstandmessgerät den Vorteil, dass eine homogene, durchgehend metallische Oberfläche vorhanden ist, die (ausser dem Material der Flanschdichtung) als einzige mit dem Messmedium in Verbindung kommt und dadurch den Sensor zum Einsatz in aggressiven Medien oder Lebensmitteln geeignet macht.

Ein weiterer Vorteil liegt in der niederen Bauhöhe des Sensors. Jeder Schall- oder Ultraschallsensor, der impulsmässig angeregt wird, besitzt am Ende des Sendeimpulses eine sog. Todzeit, in der keine Messungen möglich sind. Als Todzeit bezeichnet man jenen Zeitabstand, den der Sensor benötigt, um nach Beendigung des Sendeimpulses auszuschwin-gen. So lange nämlich, wie die als Sender und Empfänger wirkende Membrane noch nach Beendigung des Sendeimpulses in Schwingungen versetzt ist, kann kein Echoimpuls empfangen werden. Zwar werden eine Reihe von Massnahmen vorgeschlagen, die Ausschwingzeit des Sensors zu verkürzen oder auch während dieser Zeit Echosignale zu empfangen; dennoch verbleibt eine Zeitspanne, direkt nach Beendigung des Sendeimpulses, die nicht zum Empfang des Echoimpulses zur Verfügung steht. Von der Laufzeit des Sendeimpulses im Medium Luft hängt es aber ab, bis zu welcher Maximalbefüllung der Füllstand im Behälter gemessen werden kann. Messungen oberhalb dieser Grenze sind nicht mehr möglich, da die Laufzeit des Sendeimpulses bis zur Füllgutoberfläche und zurück zum Sensor so kurz ist, dass der Empfang in die Ausschwingphase des Sensors nach Beendigung des Sendeimpulses fällt. Diesem Nachteil versucht man dadurch zu begegnen, dass man den Ultraschallsensor möglichst so im Deckel des Behälters anordnet, dass bei entsprechender Laufzeit des Sendeimpulses eine möglichst grosse Ausnutzung des Behälterinnenraumes möglich ist.

Nach der DE-PS 2 547 759 wird deshalb vorgeschlagen, auf dem Deckel eines Behälters eine rohrförmige Verlängerung anzuordnen, die es ermöglicht, den Sensor in einem bestimmten Abstand oberhalb des Behälterdeckels zu montieren. Zur Vermeidung von Störreflexionen wird der Schallimpuls mittels eines Schallführungsrohres geleitet.

Da bei dem Gegenstand der Erfindung der Schalloder Ultraschallwandler nicht in die Innenzone des Behälters ragt, sondern Wandlermembrane und Befestigungsflansch auf einer Ebene liegen, ist eine höhere Befüllung des Behälters und damit eine bessere Ausnutzung seiner Lagerkapazitat möglich.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile sind in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein anderes Beispiel für eine Ausführung der Erfindung; und

Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die erfindungsge-mässe Vorrichtung,

wobei in den Fig. 2, 3 zusätzliche Massnahmen zur Körperschallentkopplung dargestellt sind.

In Fig. 1 ist unter 1 ein Füllstandmessgerät dargestellt, das der besseren Erklärung wegen ein Ul-traschallfüllstandmessgerät sein soll. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung von Ultraschallwellen beschränkt, sondern lässt sich für alle Füllstandmessgeräte anwenden, die mit Schallimpulsen arbeiten. Das Füilstandmessgerät 1 ist oberhalb des Deckels 2 eines Behälters angeordnet, dessen Füllstand gemessen werden soll. Dazu besitzt der Deckel 2 eine kreiszylindrische Öffnung 3, die durch ein kurzes Rohrstück 4 gebildet wird. Ein Flansch 5 ist mit dem Rohrstück verbunden. Der Flansch 5 hat eine Reihe von Bohrungen 6, die auf dem Umfang eines Lochkreises gleichmässig verteilt sind.

Das Füllstandmessgerät 1 besitzt ein Gehäuse 7, in dessen Innern auf einer Schaltungsplatte angeordnet sich jene elektrischen bzw. elektronischen Bauteile befinden, die den elektrischen Impuls zur Anregung des piezoelektrischen Elementes 8 erzeugen. Weiter ist es Aufgabe dieser Bauteile, den vom piezoelektrischen Element 8 erzeugten elektrischen Echoimpuls zu empfangen, zu verstärken und über eine nicht dargestellte elektrische Verbindungsleitung an das von dem Füllstandmessgerät 1 getrennt angeordnete Auswertegerät zu übermitteln. Die zur Funktion benötigte elektrische Energie empfängt das Füllstandmessgerät 1 vom Auswertegerät ebenfalls über die nicht dargestellte elektrische Verbindungsleitung. Die Einführung dieser Leitung in das Gehäuse 7 geschieht durch die PG-Verschraubung 9.

Unterhalb des Gehäuses 7 ist das Wandlergehäuse 10 angeordnet. Gehäuse 7 und Wandlergehäuse 10 sind so gegeneinander ausgerichtet, dass kreiszylindrische Öffnungen 11,12 sich fluchtend gegenüberliegen. Die Befestigung des Gehäuses 7 am Wandlergehäuse 10 geschieht unter Einschlusss einer Dichtung 30 durch Schrauben 13.

Durch die kreiszylindrischen Öffnungen 11, 12 sind elektrische Kabel 14 durchgeführt, die die nicht dargestellten elektronischen Bauteile im Innern des Gehäuses 7 mit dem piezoelektrischen Element 8 verbinden.

Das Wandlergehäuse 10 ist unter Einschluss der ringförmigen Dichtung 15 mit dem Flansch 16 verbunden. Als Befestigungselemente dienen die Schrauben 17. Durch den Flansch 16 ist das Füllstandmessgerät 1 mit dem Flansch 5 des Deckels 2 verbunden.

Dazu verfügt der Flansch 16 über eine Reihe von Bohrungen 18, die fluchtend zu den Bohrungen 6 des Flansches 5 entlang eines Lochkreises gleichmässig verteilt sind. Die lösbare Verbindung zwischen den Flanschen 5, 16 geschieht mittels Schraubverbindung 19 unter Einschluss einer elastischen ringförmigen Dichtung 20.

Der Befestigungsflansch 16 hat auf seiner der Behälterinnenzone abgewandten Seite eine kreiszylindrische Ausnehmung 21 ; diese ist so angeordnet, dass ihre Symmetrieachse mit der Symmetrieachse des Flansches 16 zusammenfällt. Die zylindrische Ausnehmung 21 durchdringt den Flansch 16 jedoch nicht vollständig, sondern die zylindrische Ausnehmung 21 ist auf der der Behälterinnenzone zugewandten Seite durch einen ca. 1,5 mm dicken Bereich 22 verschlossen.

Die zylindrische Ausnehmung 21 des Befestigungsflansches 16 dient nun gleichzeitig zur Aufnahme des piezoelektrischen Elementes 8 sowie der aus einem geeigneten Silikonelastomer bestehenden Anpassschicht 23 und der ebenfalls aus einem geeigneten Silikonelastomer hergestellten Dämpfungsschicht 24. Dabei stellt der Bereich 22 des Flansches 16 die Membrane des Ultraschallwandlers 25 dar. Die Ausnehmung 21 kann mit jedem dem Fachmann bekannten, spanababhebenden Verfahren erzielt werden. Allerdings muss diese so ausgeführt sein, dass die Membrane 22 eine gleichbleibende Dicke hoher Präzision hat.

Die Aufgabe des Wandlergehäuses 10 ist ausser der eines Verbindungselementes zwischen dem Befestigungsflansch 16 und dem Gehäuse 7 jene, den aus piezoelektrischem Element 8, Anpassschicht 23 und Dämpfungsschicht 24 bestehenden Ultraschallwandler 25 schützend gegenüber der Umwelt abzudecken.

Die Integration des Ultraschallwandlers 25 in den Befestigungsflansch 16 ergibt nun eine äusserst flache Bauweise des Fülistandmessgerätes 1. Dabei bildet die dem Innern des Behälters zugewandte Seite des Flansches 16 eine homogene, durchgehende, die Membrane des Ultraschallwandlers 25 ein-schliessende metallische Oberfläche, wobei kein Bauteil des Fülistandmessgerätes 1 über den Befestigungsflansch hinaus in das Innere des Behälters ragt.

Wählt man die Membranestärke entsprechend den vorgeschriebenen Festigungseigenschaften beim Einsatz von elektrischen Geräten in explosiblen Bereichen, so ergibt die durchgehende metallische Oberfläche entsprechender Festigkeit eine absolut flammendurchschlagsichere Trennung der explosionsgefährdeten Innenzone des Behälters von den elektrischen Betriebsmitteln des Fülistandmessgerätes 1 und unter Einschluss des Dichtringes 20 der Atmosphäre, so dass der Einsatz des er-findungsgemässen Fülistandmessgerätes 1 in explosionsgefährdeten Innenbereichen eines Behälters gegeben ist.

Wählt man für den Flansch 16 einen rost- und säurebeständigen Stahl, der dann, ausser dem Werkstoff der ringförmigen Dichtung 20, als einziger mit dem Messmedium in Verbindung kommt, so kann das Füllstandmessgerät 1 auch in aggressiven

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Medien und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.

In den Fig. 2, 3 sind zwei andere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt (Ausschnitt). Beide Ausführungsformen zeigen beispielsweise mögliche Massnahmen zu einer zusätzlichen Körperschallentkopplung des Ultraschallwandlers 25. In Fig. 2 und 3 sind die gleichen Positionszahlen wie in Fig. 1 eingesetzt, insoweit diese zur Erklärung des Ausführungsbeispiels dienen. In Fig. 2 ist wieder der Befestigungsflansch 16 dargestellt, in dessen kreiszylindrischer Ausnehmung 21 der Ultraschallwandler 25 angeordnet ist. Der Flansch 16 ist mit dem Flansch 5 lösbar verbunden. Die Membrane 22 ist ebenfalls dem Inneren des Behälters zugewandt. Im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1 besitzt die Mantelfläche der Ausnehmung 21 eine sich radial erstreckende Nut 26, deren Querschnitt die Form eines zur Seite angeordneten T einnimmt. Sie wird gebildet durch zwei miteinander verbundene ringförmige Nuten, von denen jene, der zylindrischen Ausnehmung 21 zugewandte, einen quadratischen Querschnitt aufweist, während die zweite, der zylindrischen Ausnehmung 21 abgewandte, die Form eines sich axial erstreckenden Reckteckes besitzt. Durch diese Nut wird die Mantelfläche der kreiszylindrischen Ausnehmung 21 unterbrochen, so dass eine weitgehende Körperschallentkopplung des Ul-traschailwandlers 25 gegenüber dem Flansch 16 erfolgt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Hier ist anstelle der T-förmigen Nut 26 eine andere Massnahme zur Körperschallentkopplung des Ultraschallwandlers 25 aufgezeigt. Dazu ist der Flansch 16 mit in axialer Richtung verlaufenden, von der dem Innern des Behälters abgewandten Seite eingebrachten Rillen oder Nuten 27, 28 versehen. Sie durchdringen natürlich nicht den Flansch 16 vollkommen, sondern die Tiefe ist so gewählt, dass die Festigkeit des Flansches nicht oder nur sehr wenig beeinträchtigt wird. Die Nuten 27, 28 verlaufen in einer Kreisbahn mit gleichem Abstand zur kreiszy-iindrischen Ausnehmung 21, so dass die Symmetrieachse des Umfangskreises der Nuten 27, 28 mit der Symmetrieachse der kreiszylindrischen Ausnehmung 21 zusammenfällt.

Natürlich sind die Massnahmen zur Körperschallentkopplung nicht auf diese zwei gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern der Fachmann kann jede andere Art der zusätzlichen Körperschallentkopplung ergreifen. So können die Mittel zur Körperschallentkopplung auch mit einem schallabsorbierenden Werkstoff ausgefüllt werden.

Fig. 3 zeigt ausserdem eine weitere verbesserte Ausführungsform der Erfindung von Fig. 1. Danach durchdringt die kreiszylindrische Ausnehmung 21 den Flansch 16 etwa nur bis zur Hälfte jener Tiefe, die in Fig. 1 dargestellt ist. Die Anordnung des Ultraschallwandlers 25 entspricht der Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass die aus einem geeigneten Silikonelastomer hergestellte Dämpfungsschicht 24 ein Stück weiter aus dem Flansch 16 herausragt. Auf der der Behälterinnenzone zugewandten Seite ist nun auch eine kreiszylindrische Ausnehmung 28 eingebracht. Der zwischen den Ausnehmungen 21

und 29 verbleibende Bereich 22 bildet ebenfalls er-findungsgemäss die Membrane des Ultraschallwandlers 25. Der Vorteil der Ausgestaltung nach Fig. 3 liegt darin, dass die kreiszylindrische Ausnehmung 29 eine von der homogenen Oberfläche des Flansches 16 zurückspringende Vertiefung bildet, welche die Membrane gegen äussere mechanische Beschädigungen schützt. Dabei kann die Tiefe der Ausnehmung 29 entsprechend dem Schutzbedürfnis und/oder der notwendigen Einbautiefe des Ultraschallwandiers 25 entsprechend gewählt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Füllstandmessgerät zum Messen des Füllstandes in einem Behälter mit explosionsgefährdeter Innenzone, mit einem Schall- oder Ultraschallwandler zur Aussendung von Schall- oder Ultraschallimpulsen und zum Empfang der an der Oberfläche des Füllgutes reflektierten Echoimpulse, wobei der Schall- oder Ultraschallwandler ein piezoelektrisches Element und eine Membrane aus Metall aufweist und mittels eines Flansches aus Metall über einer Öffnung des Behälters mit diesem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) auf der der Behälterinnenzone abgewandten Seite eine den Flansch (16) axial teilweise durchdringende erste kreiszylindrische Ausnehmung (21) aufweist, in welcher der Schall- oder Ultraschallwandler (25) im wesentlichen im Innern des Flansches (16) angeordnet ist.

2. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) auf der der Behälterinnenzone zugewandten Seite einen nicht von der ersten kreiszylindrischen Ausnehmung (21) durchdrungenen Bereich (22) aufweist, der die Membrane des Schall- oder Ultraschallwandiers (25) bildet.

3. Füllstandmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Behälterinnenzone zugewandte Seite des Flansches (16) eine homogene, die Membrane (22) einschliessende ebene Oberfläche ist.

4. Fülistandmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (22) eine gleichbleibende Dicke von etwa 1,5 mm hat.

5. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flansch (16) Mittel zur Körperschallentkopplung des Schall- oder Ultraschallwandiers (25) eingebracht sind.

6. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse der ersten kreiszylindrischen Ausnehmung (21) mit der Symmetrieachse des Flansches (16) zusammenfällt.

7. Füllstandmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche der ersten kreiszylindrischen Ausnehmung (21) von einer sich radial erstreckenden Nut (26) durchbrochen ist.

8. Füllstandmessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (26) einen sich radial erstreckenden ersten Bereich von im wesentlichen quadratischem Querschnitt und einen sich an

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den ersten Bereich anschliessenden, axial erstreckenden zweiten Bereich von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt aufweist.

9. Füllstandmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste kreiszylindrische Ausnehmung (21) von wenigstens einer Nut (28) umgeben ist, die sich in Achsrichtung des Flansches (16) erstreckt und so angeordnet ist, dass die Symmetrieachse der Nut (28) mit der Symmetrieachse der Ausnehmung (21) sowie mit der Symmetrieachse des Flansches (16) zusammenfällt.

10. Füllstandmessgerät nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (26, 28) mit einem schallabsorbierenden Werkstoff ausgefüllt sind.

11. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) auf seiner der Behälterinnenzone zugewandten Seite eine zweite kreiszylindrische Ausnehmung (29) aufweist, die sich fluchtend zur ersten kreiszylindrischen Ausnehmung (21) in Achsrichtung des Flansches (16) erstreckt und so angeordnet ist, dass ihre Symmetrieachse mit der Symmetrieachse der ersten kreiszylindrischen Ausnehmung (21) und der des Flansches (16) zusammenfällt.

12. Füllstandmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der von den kreiszylindrischen Ausnehmungen (21, 29) nicht durchdrungene Bereich (22) des Flansches (16) die Membrane des Schall- oder Ultraschallwandiers (25) bildet.

13. Füllstandmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kreiszylindrischen Ausnehmungen (21, 29) spanabhebend hergestellt sind.

14. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall- oder Ultraschallwandler (25) eine der Membrane (22) zugewandte Anpassschicht (23) und eine der Membrane (22) abgewandte Dämpfungsschicht (24) aufweist.

15. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall- oder Ultraschallwandler (25) von einem Wandlergehäuse (10) umschlossen ist.

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