DE10302437B4

DE10302437B4 - Vorrichtung zur Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes eines Mediums in einem Behälter

Info

Publication number: DE10302437B4
Application number: DE2003102437
Authority: DE
Inventors: Alexander Müller; Hartmut Breithaupt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: DE10302437A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes eines Mediums in einem Behälter,
mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1),
mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (2),
und mindestens einer Auswerte-/Regeleinheit (3),
wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist,
bzw. wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) so angebracht ist, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht,
wobei eine Rückkoppelelektronik (4) vorgesehen ist, über die die Antriebs/Empfangseinheit (2) die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu einer Schwingung mit einer vorgegebenen Schwingfrequenz anregt,
wobei die Auswerte-/Regeleinheit (3) anhand einer Frequenz- und/oder Amplitudenänderung der Schwingung der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt,
und wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) und die Rückkoppelelektronik (4) einen Schwingkreis (5) mit einer Güte (Q) bilden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Phase (φ) des Schwingkreises (5) auf einen...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes eines Mediums in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Von der Anmelderin werden Vorrichtungen mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, sog. Vibrationsdetektoren, zur Detektion und/oder zur Überwachung des Füllstandes unter der Bezeichnung „Liquiphant" hergestellt und vertrieben. In diesem Fall handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel.
Als Füllstandsmessgeräte ausgebildete Vibrationsdetektoren nutzen den Effekt aus, dass die Schwingungs-Frequenz und die -Amplitude abhängig sind vom jeweiligen Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit: Die Frequenz und die Amplitude unterscheiden sich, je nachdem ob die Einheit frei und ungedämpft in der Luft schwingt oder ob sie von einem Medium bedeckt ist. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung – üblicherweise wird zur Füllstandserkennung die Frequenz detektiert – lässt sich auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter rückschließen.
Mögliche Anwendungen sind Überfüllsicherung oder Pumpenleerlaufschutz. Im einen Fall darf das Medium einen Füllstand nicht überschreiten, im anderen Fall nicht unterschreiten.
Bei flüssigen Medien wie z.B. Bier kann sich Schaum bilden. Wird ein Füllstandsmessgerät für die Überfüllsicherung eingesetzt, so muss daher gewährleistet sein, dass ein Alarm oder eine Aktion nicht nur dann ausgelöst wird, wenn das Medium als Flüssigkeit den Füllstand erreicht, sondern dass auch das Medium als Schaum zum Alarm bzw. zur Aktion führt. Dies kann z.B. erforderlich sein, um eine Armatur vor dem Schaum zu schützen. Bei der Verwendung des Füllstandsmessgeräts für den Pumpenleerlaufschutz führt ein Unterschreiten eines Füllstands zum Alarm oder zu einer Aktion. Hierbei kann es mehrere Realisationen geben. Es kann sein, dass die Pumpen nicht nur vor dem Leerlaufen, d.h. vor Luft, sondern auch vor Schaum geschützt werden müssen. Bei dem Schaum kann es sich auch um Schaum ober- oder unterhalb einer speziellen Dichte handeln. Die derzeitigen Vibrationsdetektoren unterscheiden jedoch z.B. nur zwischen Flüssigkeit und Luft oder zwischen Schaum und Luft. D.h. beim Fall der schäumenden Flüssigkeit würde entweder die Flüssigkeit oder der Schaum detektiert werden. D.h. beim Stand der Technik muss von vornherein sichergestellt sein, in welcher Zustandsform das Medium vorliegt, bzw. zu erwarten ist.

In der Offenlegungsschrift DE 100 57 974 A1 wird ein Füllstandsmessgerät wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben. Dem Dokument lässt sich entnehmen, dass sich Phasen zwischen Erreger- und Schwingfrequenz einstellen lassen, die dazu führen, dass die Frequenzänderungen der Schwingungen viskositätsabhängig sind. Detaillierte Angaben über die Phasenwerte fehlen jedoch.

Somit ist die Aufgabe der Erfindung, ein Füllstandsmessgerät vorzuschlagen, das ein Medium in unterschiedlichen Zustandsformen detektieren kann.

Das Füllstandsmessgerät soll also so beschaffen sein, dass auf ein Medium reagiert wird, das in mehr als einer Zustandsform vorliegen kann. Im Fall der Flüssigkeit, in der sich Schaum bilden kann, heißt dass, dass beim Überfüllschutz das Medium detektiert wird, wenn es den Füllstand als Flüssigkeit oder als Schaum erreicht. Das Füllstandsmessgerät muss also die Schwingung in Luft von der Schwingung in Flüssigkeit oder in Schaum unterscheiden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ist die Güte (Q) des Schwingkreises vermindert, so führt jede Art von Bedämpfung der Schwingung dazu, dass die Schwingung abreißt. Diese Bedämpfung geschieht z.B. dadurch, dass Schaum die mechanisch schwingfähige Einheit bedeckt. Somit wird das Medium als Flüssigkeit und auch als Schaum detektiert, weil durch jede Bedeckung die Schwingung abreißt. Ist die Güte (Q) nicht vermindert, so führen z.B. Schäume mit einer geringen Dichte nicht dazu, dass die Schwingung abreißt. Eine Bedeckung mit dem flüssigen Medium führt jedoch zu einer Frequenzänderung, die detektiert und passend ausgewertet wird. Die Rückkoppelelektronik kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie sie in dem von der Anmelderin produzierten und vertriebenen Liquiphant M ausgestaltet ist.

Wird ein Kondensator z.B. durch einen Analogschalter in den Schwingkreis hinzugeschaltet, so vermindert sich nach den bekannten Formeln der Elektrotechnik dadurch die Güte (Q) des Schwingkreises. Somit kann je nach Verwendung des Füllstandsmessgerätes – Überfüll- oder Pumpenleerlaufschutz – der Kondensator hinzu- oder weggeschaltet werden, wodurch sich passend die Güte (Q) des Schwingkreises ändert. Ist die Güte (Q) des Schwingkreises derartig eingestellt, dass eine Schwingung des Schwingkreises durch den Kontakt mit dem Medium in einer beliebigen Zustandsform abreißt, so lässt sich je nach Dimensionierung der übrigen Bauteile der Elektronik damit die Kapazität des Kondensators bestimmen. Die Idee besteht also darin, dass die Verstärkung der Rückkoppelelektronik so gering ist, dass eine auch nur geringe Dämpfung bereits die Schwingung abreißen lässt.

Bei den Zustandsformen des Mediums handelt es sich um eine Flüssigkeit oder um ein schaumartiges Medium. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich um Schaum über oder unter einer bestimmten Dichte. Aufgrund der Einstellung der Phase von ungefähr 140° lässt sich nicht generell Flüssigkeit von Schaum trennen. Insbesondere handelt es sich um Schaum mit einer Dichte größer oder kleiner (0.5 ± 0.1) g/cm³. Daher ergibt sich also, dass ohne den Kondensator, also mit der höheren Güte (Q) das Medium detektiert wird, wenn es flüssig oder schaumartig mit einer Dichte größer als (0.5 ± 0.1) g/cm³ ist. Mit Kondensator, also mit der geringeren Güte wird das Medium detektiert, wenn es flüssig oder wenn es schaumartig mit beliebiger Dichte ist.

Die Phase (φ) kann prinzipiell zwischen –180° und +180° liegen. Eine Ausgestaltung beinhaltet,
dass die Phase (φ) des Schwingkreises auf einen Wert zwischen ungefähr 120° und 150° gesetzt ist. Eine Ausgestaltung setzt dabei den Wert auf ungefähr 140°. Diese Phasenlage erlaubt es, dass ohne Kondensator, also bei einer höheren Güte (Q) des Schwingkreises Flüssigkeiten und Schäume mit einer Dichte größer als (0.5 ± 0.1) g/cm³ erkannt werden. Wird durch den Kondensator bei dieser Phasenlage die Güte (Q) des Schwingkreises vermindert, so wird Flüssigkeit und Schaum jeder Dichte erkannt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: ein Blockschaltbild des Füllstandmessgerätes.
1 zeigt die mechanisch schwingfähige Einheit 1, die hier als Schwinggabel ausgebildet ist. Die Antriebs-/Empfangseinheit 2 regt die mechanisch schwingfähige Einheit 1 zu Schwingungen an und detektiert deren Schwingungen. Für die Anregung wird eine Rückkoppelelektronik 4 benötigt. Um den Füllstand des Mediums zu bestimmen, bzw. um das Erreichen eines Füllstands zu melden, ist die Auswerte-/Regeleinheit 3 vorgesehen. Über diese kann auch eingestellt werden, ob das Messgerät zum Überlaufschutz oder zum Pumpenschutz benutzt wird. Gleichzeitig könnte diese Auswerte/Regeleinheit 3 auch den Kondensator 6 hinzu- oder wegschalten, um somit die Güte (Q) des Schwingkreises 5 einzustellen, der aus der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 und der Rückkoppelelektronik 4 gebildet wird. Der Kondensator 6 kann auch in der Antriebs-/Empfangseinheit 2 oder in der Rückkoppelelektronik 4 angebracht sein. Einer fachlich qualifizierten Person ist klar, dass der Kondensator 6 nicht die einzige Möglichkeit ist, um die Güte (Q) zu verändern. Die Güte kann auch über das entsprechende Schalten eines Widerstands und/oder einer Spule geschehen.

1: Mechanisch schwingfähige Einheit
2: Antriebs-/Empfangseinheit
3: Auswerte-/Regeleinheit
4: Rückkoppelelektronik
5: Schwingkreis
6: Kondensator

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (2), und mindestens einer Auswerte-/Regeleinheit (3), wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist, bzw. wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) so angebracht ist, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, wobei eine Rückkoppelelektronik (4) vorgesehen ist, über die die Antriebs/Empfangseinheit (2) die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu einer Schwingung mit einer vorgegebenen Schwingfrequenz anregt, wobei die Auswerte-/Regeleinheit (3) anhand einer Frequenz- und/oder Amplitudenänderung der Schwingung der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt, und wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) und die Rückkoppelelektronik (4) einen Schwingkreis (5) mit einer Güte (Q) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase (φ) des Schwingkreises (5) auf einen Wert zwischen 120° und 150° gesetzt ist, und dass die Güte (Q) des Schwingkreises (5) je nach Aufgabe der Vorrichtung durch das Hinzu- oder Wegschalten eines Kondensators (6) oder eines Widerstandes oder einer Spule derartig einstellbar ist, dass bei verminderter Güte (Q) des Schwingkreises (5) eine Schwingung des Schwingkreises (5) durch den Kontakt mit dem Medium in einer beliebigen Zustandsform abreißt, und dass bei höherer Güte (Q) des Schwingkreises (5) das Medium in den Zustandsformen als Flüssigkeit oder als über einer bestimmten Dichte vorliegender Schaum detektierbar ist, wobei die Aufgabe der Vorrichtung darin besteht, das Unterschreiten oder das Überschreiten eines Füllstands durch das Medium zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Schaum mit einer Dichte größer ungefähr (0.5 ± 0.1) g/cm³ handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase (φ) des Schwingkreises (5) auf ungefähr 140° gesetzt ist.