DD141353A1 - Vibrationsfuellstandmelder fuer schuett-und viscose gueter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Füllstandmessung und betrifft insbesondere Vibrationsfüllstandmelder für Schütt- und viskose Güter. Der Zweck der Erfindung besteht in einer Erhöhung der Betriebssicherheit des Melders. Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, einen derartigen Vibrationsfüllstandmelder zu schaffen, der durch Zwangerregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems auf die Eigenfreqvaenz unabhängig von fremden Schwingungserzeugern wirkt. Der Vibrationsfüllstandmelder besteht aus einem mechanischen Schwingungssystem und einer mit diesem System in

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Füllstandsmessung, und betrifft insbesondere Vibrationsfüllstandmelder für Schutt- und viskose Güter.

Die Erfindung kann zur Füllstandkontrolle von in Behälter technologischer Apparate ζ·Β« in Bunker, Zisternen, Tanks u.ä« gespeicherten Schutt- und viskosen Gütern verwendet werden* · .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Vibrationsfüllstandsmelder finden in verschiedenen Produktionszweigen Anwendung«

Bekannt ist z.B· ein Vibrationsfüllstandsmelder ("Endress und Hauser- Messen und Steuern", 1968, Nr. 17, S, 15), bestehend aus einem Füllstandgeber, der in Form eines mechanischen Schwingungssystems (Stimmgabel) ausgeführt und auf einem an innerer Seitenwand des mit Meßgut zu füllenden Behälters befestigten Tragkörper angeordnet ist. Dieser Geber γ/eist zwei auf dem Joch der Stimmgabel angebrachte und mittels eines Verstärkers elektrisch miteinander gekoppelte

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piezoelektrische Meßwandler auf* Der Füllstandmelder enthält weiterhin eine an den Verstärkerausgang angeschlossene Aus~ gangomeldeeinrichtung*

Der erste piezoelektrische Meßwandler versetzt das mechanische Schwingungssystem in Schwingungen, während-der zweite piezo*= elektrische Meßwandler (Schwingungsaufnehmer) die Schwingungen des mechanischen Schwingungsaysteins aufnimmt und in eine ihrer Amplitude proportionale Spannung umwandelte Diese Spannung wird dann vom Verstärker verstärkt und dem ersten piezoelektrischem Meßwandler sugeführt«, Das beschriebene System bildet somit ein SeIbstschwingungssystem, -in dem di© Schwingungen mit einer durch die Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems des Füllstandgebers bestimmten Frequenz erregt werden»

Beim Berühren des mechanischen .Schwingungssystems mit Meßgut werden seine Schwingungen gedämpft* Die Schwingungen im Geber werden unterbrochen, infolgedessen liegt am Ausgang des zwei~ ten piezoelektrischen Meßv/andlers kein Signal an«,

Demzufolge wird die Ausgangsmeldeeinrichtung stromlos und gibt ein Signal über Abfüllung des Behälters des technologic sehen Apparates mit dem Meßgut bis zu dem Höhestand, auf dem der Füllstandgeber angebracht .ist«

Der beschriebene Füllstandmelder ist unzureichend geschützt und damit störanfällige Die üblichen Vibrationen, Stöße usw_e verursachen die Störungen_? die das falsche Auslösen des Me1« ders nioht ausschließen,, -wenn der Geber vom Fießgut überschüt*- tet wir de

Der Schwingungserzeugende und -aufnehmende Meßwandler und das mechanische Schwingungssystem sollen im genannten Melder in

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einem breiten Temperaturbereich in Übereinstimmung auf Frequenz gebracht werden, Frequenzänderungen führen zu einer entsprechenden Änderung des Übertragungsfaktors des Melders und zu einem falschen Auslösen, Die Gewährleistung derartiger strenger Übereinstimmung ist unter Industriebedingungen überaus schwierig.

Die piezoelektrischen ffießwandler dieses Melders sind dem Meßgut nahe angeordnet und den Temperatureinwirkungen unterzogen· Da die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Stoffes nur 130⁰C beträgt, kann der Melder nicht oberhalb dieses Bereiches betrieben werden und ist damit nicht für alle Anwendungsfälle, z.B. bei Gewinnung von Soda, Zement u.dgl. geeignet.

Bekannt ist auch ein Vibrationsfüllstandmelder (US-PS 2624I8), mit einem stabförmigen mechanischen Schwingungssystem als Füllstandgeber und mit einer in Wechselwirkung stehenden Einrichtung zur Erregung des mechanischen Schwingungssystems in Schwingungen und Umwandlung dieser in elektrische Schwingungen. Bin Bandverstärker ist mit einer Ausgangsmeldeeinrichtung (Frequenzdemodulator und Ausgangsverstärkungsstufe) mittels zweier elektrisch gekoppelter Wicklungen ausgeführt«

Eine der Wicklungen, die zur Erregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems dient, ist an den Verstärkerausgang, die andere an den Verstärkereingang angeschlossen. Damit bilden die Wicklungen des Füllstandgebers einen Rückkopplungskreis des Verstärkers und stellen zusammen mit dem Geber einen selbsterregten Oszillator.

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers v/ird beim unterbrochenen Rückkopplungskreis so eingestellt, daß die Schwingungser-

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zeugung sowie beim Vorhandensein als auch beim Fehlen des Meßgutes möglich ist« Die Bandbreite des Verstärkers überdeckt die Eigenfrequenzen des mechanischen Schwingungssystems_β An den Verstärkerausgang ist der Frequenzdemodulator angeschlossen«, in dem die vom Oszillatorausgang abgenommene Spannung in .Gleichspannungsänderungen umgewandelt wird_e Das gewonnene Signal wird in der Ausgangsstufe verstärkte Ist das mechanische Sohmdngungssystem nicht von Meßgut überschüttet_s entstehen in diesem Schwingungen analog der Eigenfrequenzen des mechanischen Schwingungssystems_β Überaus geringe Schwin-* gungen dieses Systeme infolge Schwankungen der Speisespannung oder Vibrationen von Konstruktionsbauelementen werden vom Verstärker verstärkt und über Erregungswicklungen ins Schwingungssystem in Phase mit einer zufällig entstandenen Schwankung der Speisespannung eingespeist«

Die beiden'Wicklungen sind auf dem mechanischen Schwingungssystem angeordnete Dabei sind die Wicklungen und diese mit dem Verstärker verbindende Leitungen gegenseitig -abzuschirmen· Dies erschwert die Gestaltung des Füllstandgebers und vermindert sein© Zuverlässigkeit«,

Da die Eigenfrequenzen des mechanischen Schwingungssystems des beschriebenen Melders im engen Bereich von 200 bis 400 Hz liegen_? sind für zweiseitige Begrenzung des Durchlaßbereiches des Verstärkers mit gleichmäßiger Phasenkennlinie entsprechende Filter einzuführen. Hierdurch y/ird wesentlich die Gestaltung des Verstärkers und folglich des Melders erschwert und hat eine weitere nachteilige Wirkung auf seine Zuverlässigkeit zur Folge ο

Die konstruktiv-komplizierte Einrichtung zur Versetzung des mechanischen Schv/ingungssystems in Schwingungen und Umwandlung

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dieser in elektrische Schwingungen ist in der Nähe des Meßgutes angeordnet und unterliegt damit seiner Temperatur-, Korrosions- und anderen Einwirkungen, Dies erschwert die Anwendung des beschriebenen Füllstandmelders für Füllstandkontrolle insbesondere von aggressiven Medien,

Ziel der Erfindung

Zweck der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden, die Betriebssicherheit des Melders zu erhöhen und seine Einsatzmöglichkeit wesentlich zu erweitern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Vibrationsfüllstandmelder für Schutt« und viskose Güter zu schaffen^ deren Aufbau eine höhere Betriebssicherheit aufweisen wird und infolge einer Zwangerregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems auf die Eigenschwingungen unabhängig von Einflüssen fremder Schwingungserzeuger erreicht wird·

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Vibrationsfüllstandmelder aus einem in Form eines mechanischen Schwingungssystems und einer mit diesem Schwingungssystem in Wechselwirkung stehenden Einrichtung zur Versetzung des mechanischen Schwingungssystems in Schwingungen und Umwandlung dieser in elektrische Schwingungen, mittels eines Verstärkers mit einer Ausgangsmeldeeinrichtung elektrisch gekoppelt ist,, besteht und erfindungsgemäß'zusätzlich einen Schwingungsgenerator mit Stoßerregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems, dessen Ausgang an den 'Füllstandgeber und an den Verstärkereingang angeschlossen ist; einen Spannungsamplitudenbegrenser, dessen Eingang dem Verstärkerausgang zugeführt ist, und eine Differenzierkette enthält, die eingangs-

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seitig an den Ausgang des Spannungsamplitudenbegrenzers'angeschlossen -und ausgangsseitig mit dem Schwingungsgenerator mit Stoßerregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems elektrisch gekoppelt ist«

Eine derartige Ausführung des Vibrationsfüllstandmelders ermöglicht es₉ erzwungene periodische Erregung des mechanischen Schwingungs syst eins synchron mit seinen Eigenschwingungen vorzunehmen«, Änderungen der Eigenfrequenz des mechanischen Schwin« g'ungssysteins, die unter Betriebsbedingungen infolge des KIebenbleibens des Meßgutes am Gebei% Üragebungstemperatursohv/ankungen, Alterung des Geberstoffes usw. entstehen,, werden deshalb keine Auswirkungen auf den Betrieb des Melders haben»

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden· .-.:...

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig_e 1ί ein Funktionsschaltbild des erfindungsgemäßen Vibrationsfüllstandmelders ;

Fig* 2: ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Füllstandgebers ι

Fig« J>% ein Prinaipschaltbild des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Schwingungsgenerators mit Stoßer»- regimg, der an die Differenzierkette und an die Einrichtung zur Versetzung des mechanischen Schwingungssystems in Schwingungen und Umwandlung dieser in elektrische Schwingungen angeschlossen ist5

Fig« 4s ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Ausfuh~ rungsbeispiels des Verstärkers;

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Fig. 5: ein. Prinzipschaltbild des erfindungsgeinäßen Ausführungsbeispiels der Ausgangsmeldeeinrichtung.

Nachfolgende Beschreibung ist unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausgeführt, .

Der Vibrationsfüllstandmelder für Schutt- und viskose Güter weist einen Füllstandgeber 1 (Fig. 1) auf, der an den Ausgang eines Schwingungsgenerators 2 mit Stoßerregung und an den Eingang eines Verstärkers 3 angeschlossen ist. An den Ausgang des Verstärkers 3 ist eine Ausgangsmeldeeinrichtung 4 und der Spannungsamplitudenbegrenzer 5 angeschlossen« Der Ausgang eines Spannungsamplitudenbegrenzers 5 ist mittels einer Differenzierkette 6 an den Schwingungsgenerator 2 mit Stoßerregung gekoppelt.

Der Füllstandgeber 1 weist ein aus einem Stab 8, der an einer auf einem Tragkörper 10 angebrachten Membran 9 befestigt ist, bestehendes mechanisches Schwingungssystem 7 (Fig. 2) auf. Der Füllstandgeber 1 enthält weiterhin eine Einrichtung 11 zur Erregung des mechanischen Schwingungs syst ems 7 tuA Umwandlung in elektrische Schwingungen, bestehend aus einer Wicklung 12 mit einem ferr©magnetischen Kern 13» die als ein Elektromagnet und ein magnetischer Modulationsweggeber dient und Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems in Wechselspannung mit einer der des mechanischen Schwingungssystems gleichen Frequenz umwandelt.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Schwingungsgenerator 2 mit Stoßerregung einen Thyristor I4 (Fig. 3), der mit der Wicklung 12 mittels eines Entladekondensators 15 gekoppelt istο Ein Widerstand 16 dient zum Aufladen des Kondensators 15 von einer Speisequclle 17« Der zeitbestimmende Kreis des Schwingungsgenerators 12 mit Stoßerregung ist in Emitter-

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folge mit einem Transistor 18 ausgeführt. Im Basiskreis des Transistors 18 ist die von einem Widerstand 19 und einem Speicherkondensator 20 gebildete zeitbestimmende RC-Kette vorhanden. Der Emitterkreis des Ernitterfolgers weist eine die Ansprechschwelle des Thyristors I4 bestimmende Diode 21 auf. Ein Widerstand 22.dient zur Strombegrenzung des Transistors 18 zum Zeitpunkt seines Öffnens, ein Widerstand 23 bildet zusammen mit dem Eingangswiderstand des Thyristors I4 die Belastung des genannten Emitterfolgers6 Eine Diode 24 ist zur Entladung des Speicherkondensators 20 beim Ansprechen des Thyristors I4 bestimmt.

In Figo 3 ist weiterhin die mit einem Widerstand 25$ einem Kondensator 26 und einer Diode 27 aufgebaute Differenzierke'tte 6 dargestellte

Der Verstärker 3 ist mit zwei Transistoren 281 29 ('Fig· 4) mit direkten Kopplungen zwischen äen Stufen ausgelegt» Der Gleichetrombetrieb des Verstärkers wird von der RC-Kette mit Wider** ständen 30;31 und einem Kondensator 32 gewährleistete Wider-* stände 33s34 dienen als Belastung in den Verstärkungsstufen« Die Kondensatoren 35* 36 sind zur Trennung der Gleichstromkopplungen bestimmt» Ein Widerstand 37 dient zur Kopplung mit Syn^ chronisationskreisen» Eine .Stabilisierröhre 38 dient als Maximumbegrenzer 5 der Ausgangsspannungsamplitude des Verstärkers 3c Ein Kondensator 39 begrenzt die Erregung des Verstärkers 3 bei hohen Frequenzen.

Die in Pig, 5 dargestellte Ausgangsmeldeeinrichtung 4 enthält' einen Transistor 4O₅, in dessen Kollektorkreis ein elektromagnetisches Relais 4I eingeschaltet ist_o Das .Relais 4^ ist durch einen Kondensator 42 geshuntet_o Im Emitterkreis des Transistors 40 ist eine die Ansprechschwelle der Ausgangsmeldeein-

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richtung 4 bestimmende Diode 43 vorhanden. In den Basiskreis des Transistors 40 sind als ein Demodulator dienenden Dioden 44 und 45 sov/ie ein Kondensator 46 mit einem Widerstand 47 eingeschaltet« Der mit einem Widerstand 48 und einer Diode 49 ausgelegte Kreis dient zur Gewinnung eines Ausgangssignals für kontaktlose Automatikeinrichtungen· Das Relais 4I weist Kontakte 50; 51 auf, mit deren Hilfe entsprechende Meldelampen / 52 und 53 ein» bzw, ausgeschaltet werden.

Der beschriebene Füllstandmelder von Schutt- und viskosen Gütern arbeitet folgendermaßen:

Der Schwingungsgenerator 2 mit Stoßerregung erzeugt kurzzeitige Impulse, deren Dauer wesentlich kleiner, während die Taktdauer etliche Male größer der Eigenperiode des mechanischen Schwingungssystems 7 sind· Die von dem Schwingungsgene-!· rator 2 erzeugten kurzzeitigen Impulse gelangen an die Wicklung 12 und erregen stoßartig Schwingungen im mechanischen Schwingungssystem 7. Da dieses im ungedämpften Zustand eine hohe Güte aufweist, v/erden seine Schwingungen während einer Zeitspanne zwischen den nacheinander folgenden Impulsen noch nicht gedämpft.

Während der Zeitspanne zwischen den Erregungsimpulsen werden die Schwingungen des mechanischen Schwingung^systems 7 von derselben Spule 12 aufgenommen und in Wechselspannung umge-* wandelt _f die dem Eingang des mit der Spule 12 gekoppelten Verstärkers 3 zugeführt wirdo Die vom Verstärker 3 verstärkte mit der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems 7 frequenzgleiche Wechselspannung gelangt an den Eingang der Ausgangsmeldeeinrichtung 4_#

In der Ausgangsmeldeeinrichtung 4 vard diese Wechselspannung

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in Gleichspannung umgewandelt, die das elektromagnetische' Stellrelais 41 erregt und zum Ausl'daen bringt_β Das Relais schaltet durch seine Kontakte 50 und 51 den Speisekreis der Lampe 52 bzw, 53 ein_? die vom Vorhandensein-bzw· vom Fehlen des Meßgutes auf der Einstellungshöhe des mechanischen Schwin-' gungssyateias 7 signalisiert* Die vom Verstärker 5 verstärkte Wechselspannung wird ankommend an den Spannungsamplituden.begrenzer 5 der Maximumbegrenzurig derart unterzogen, daß am Begrenseratisgang ein© nahezu rechteckige Wechselspannung entsteht » Mit Hilfe der an den Ausgang des Begrenzers 5 angeschlossenen Differenzierkette 6 werden diese Impulse differenzierte Infolgedessen entsteht am Ausgang der Differenzierkette 6 eine Folge^synchronisierender Impulse, die zeitlich mit dein Beginn der Schwingungsperioden des mechanischen Schwingungssystems 7 übereinstimmte .

Die synchronisierenden Impulse lösen den Schwingungsgenerator 2 mit Stoßerregung zu den Zeitpunkten aus, die mit dem Beginn der Eigenperioden des mechanischen Schwingungssystems 7 übereinstImmen« Da die Erregungsimpulse vom Ausgang des Schwingimgsgenerators 2 an die mit dem mechanischen Schwingungen system 7 in Wechselwirkung stehende Spule 12.ankommen$ werden die von der letzteren erzeugten periodischen Einwirkungen in Phase mit den Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems 7 liegen und die Schwingungen werden damit auf Eigenfrequenz gehalten«

In dem Fall, wenn der Geber 1 des Vibrationsfüllstandmelders von Meßgut überschüttet wird, wird die Güte des mechanischen Schwingungs sy st eins 7 wesentlich vermindert und seine Schwingungen werden nach der Einwirkung auf das System 7 eines Erreger impulses vom Schwingungsgenerator 2 mit Stoßerregung sehr schnell gedämpfte Infolgedessen gelangen an den Eingang der

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Ausgangsmeldeeinrichtung 4 nur sehr kurzzeitige Erregerimpulse, die nach der Mitteilung im mit den Bauelementen 40} 4I^ 42; 44; 45; 46 und 47 (Figo 5) aufgebauten Kreis im Basiskreis des Transistors 40 eine wesentlich unter der von der Diode bestimmten Ansprechschwelle des Transistors liegende Gleichspannung erzeugen« Der Strom des Transistors 40 wird dabei vermindert, und das elektromagnetische Relais 4I wird ausgeschaltet. Durch die Kontakte 50; 51 des Relais 4I wird die entsprechende Lampe eingeschaltet, die vom Vorhandensein des Meßgutes auf der Einst eil ungshb'he des Gebers signalisiert.

Änderungen der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems 7j die unter Betriebsbedingungen infolge einer Änderung seiner Masse oder infolge einer mit Umgebungstemperaturänderungen bzw. mit Alterung des Schwingungssystemsstoffes verbundenen Änderung der Steifigkeit möglich sind, werden keinerlei Auswirkungen auf Änderungen der Erregüngsbedingungen des Schwingungssystems haben, da in Übereinstimmung mit den Frequenzänderungen des Schwingungssystems die zeitliche Lage der synchronisierenden Impulse verändert wird.

Damit wird im vorliegenden Füllstandmelder auf Kosten der periodischen Zwangerregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems 7 mit Hilfe des Schwingungsgenerators 2 mit Stoßerregung, der mit der durch Umwandlung derselben Schwingungen gewonnenen Wechselspannung synchronisiert wird, eine strenge Übereinstimmung der Erregungseinwirkung mit der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems erreicht-Dies hat eine Erhöhung des Zuverlässigkeit des Melders und eine Vereinfachung der Gestaltung des Gebers zur Folge,

Claims (1)

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   Vibrstionsfüllstandmelder für Schutt·« und viskose Güter,-bestehend aus einem in Art eines mechanischen Schwingungssystems und einer mit diesem System in Wechselwirkung stehenden Einrichtung zur Versetzung des mechanischen Schwingungssystems in Schwingungen und Umwandlung dieser in elektrische Schwingungen, die mittels eines Verstärkers mit einer Ausgangsmeldeeinrichtung elektrisch gekoppelt ist_? gekennzeichnet dadurch, daß au«* sätzlich ein Schwingungsgenerator (2) mit Stoßerregung der Schwingungen des mechanischen Sehwingungssystems (7)j, dessen Ausgang an den Füllstandgeber (1) und an den Eingang eines Verstärkers (3) angeschlossen ist ι ein*Spannungsamplitudenbe~ grenzer (5)_f dessen Eingang dem Ausgang des Verstärkers (3) zugeführt ist und eine Differenzierkette (6) vorgesehen ist, die eingangsseitig an den Ausgang des Spannungsamplitudenbegrenzers (5) und ausgangsseitig mit dem Schwingungsgenerator (2) mit Stoßerregung der Schwingungen des mechanischen Schwin-' gungs syst eins (7) elektrisch gekoppelt ist«

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