DE19720519A1

DE19720519A1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter

Info

Publication number: DE19720519A1
Application number: DE1997120519
Authority: DE
Inventors: Hardi Voelkel
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2017-05-17
Also published as: AU8332898A; WO1998053282A1; DE19720519C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE 17 73 815 A1 ist eine Vorrichtung zur Feststellung des Füll standes eines Behälters bekannt geworden, der eine Sonde mit einem in den Behälter ragenden Schwingstab, eine Einrichtung zur Erregung von mecha nischen Eigenschwingungen des Schwingstabes und eine Anzeigeeinrichtung aufweist. Zum Schwingstab ist parallel ein zweiter Schwingstab vorgesehen, wobei beide Stäbe in gegensinnige Schwingungen versetzt werden. Des weiteren sind zwei elektromechanische Wandler vorgesehen, die die Schwin gungen der Stäbe in elektrische Signale umwandeln, deren Amplitude von der Schwingungsamplitude der Stäbe abhängt.

Durch die DE 33 48 119 ist eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter bekannt geworden, welche ein mechanisches Schwingungsgebilde aus zwei Schwingstäben aufweist, die von einer piezoelektrischen Erregungseinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, deren Frequenz von der Umgebung der Schwingstäbe abhängt, insbesondere von der Höhe des Füllstandes. Die mechanische Schwingung des Schwingungsgebildes wird mit einem piezoelektrischen Empfangswandler wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, das verstärkt wird und dessen Frequenz in einer Wandlerschaltung ausgewertet wird. Das verstärkte Signal dient als Eingangssignal der Erregungseinrichtung. Die Wandlerschaltung ist so gestaltet, daß sie das Ausgangssignal des Empfangswandlers in ein Rechtecksignal umwandelt, dessen Periodendauer in einer Zeitvergleichsschaltung mit einer vorbestimmten Referenzdauer verglichen wird. Fällt dieser Vergleich über einen längeren Zeitraum von mehreren Perioden negativ aus, so gibt ein elektrisches Schaltelement ein Ausgangssignal ab.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen zur Füllstandsüberwachung ist, daß der mechanische Aufbau mit Erregungseinrichtung und separatem Empfangswandler aufwendig und teuer ist. Bedingt durch den mechanischen Aufbau ist auch der Stromverbrauch einer derartigen Vorrichtung relativ hoch, denn es sind hohe Signalhöhen zur Erregung einer mechanischen Schwingung mit so hoher Amplitude nötig, daß die Schwingung noch zuverlässig mit dem Empfangswandler detektiert werden kann, da sich Erregungseinrichtung und Empfangswandler die zur Verfügung stehende Kontaktfläche zum Schwingungsgebilde teilen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der unter Verringerung das Aufwands des mechanischen Aufbaus und der Betriebskosten Änderungen der Schwingungsfrequenz oder der Amplitude der induzierten Schwingung bei Änderungen des Füllstandes zuverlässig detektiert werden können.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Vorrichtung der genannten Gattung, bei welcher Erregungseinrichtung und Empfangswandler in ihren wesentlichen Bestandteilen übereinstimmen, insbesondere das gleiche Piezoelement oder die gleichen Piezoelemente zur Erregung und zur Detektion der Schwingung verwendet ist/sind, so daß über dem Piezoelement eine Wechselspannung liegt, deren Signalform vom Eingangssignal und von der Antwortspannung des Schwingungsgebildes bestimmt ist, im allgemeinen die Summe aus Eingangssignal und Antwortspannung ist. Weiterhin wird das Eingangssignal der Erregungeinrichtung zusätzlich einem Referenzelement aufgegeben, welches der Erregungseinrichtung parallel geschaltet ist, wobei das Referenzelement so gestaltet ist, daß sein Ausgangssignal zu dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung im Falle der Nichtankopplung eines Schwingungsgebildes proportional ist. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung und dem Ausgangssignal des Referenzelements wird in der Wandlerschaltung verstärkt und dient zur Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandler- bzw. Auswerteschaltung, welches als Eingangssignal der Erregungeinrichtung und des Referenzelements verwendet wird, so daß ein elektrisch schwingfähiges System entsteht. Die Frequenz oder die Amplitude des Ausgangssignals der Wandlerschaltung wird in einer Logikschaltung mit einer vorbestimmten Referenzfrequenz bzw. -amplitude verglichen, wobei ein Schaltelement daran ein Signal erzeugt, wenn die tatsächliche Frequenz oder Amplitude die Referenzfrequenz bzw. -amplitude für eine vorbestimmte Zeit über- oder unterschreitet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den Vorteil, daß die Schwingungserregung des Schwingungsgebildes und die Detektion der mechanischen Schwingung mit demselben Piezoelement durchgeführt wird, daß also Erregungseinrichtung und Empfangswandler in einem Bauelement integriert sind. Im folgenden wird stets von einem Piezoelement ausgegangen, es kann jedoch auch ein Array von Piezoelementen zur Anregung und zur Detektion der Schwingung verwendet werden.

Die Integration von Erregungseinrichtung und Empfangswandler in einen Bauelement hat zur Folge, daß die zur Verfügung stehende, durch die mechanische Gestaltung der Vorrichtung begrenzte Kontaktfläche zur Übertragung der mechanischen Schwingung des Piezoelements auf das Schwingungsgebilde sowie zur Übertragung der Schwingung des Schwingungsgebildes auf das Piezoelement sowohl für die Erregung als auch für den Empfang voll ausgenutzt werden kann. Die Erregung erfolgt durch das Anlegen einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung als Eingangssignal an die Erregungseinrichtung. Das Piezoelement verformt sich mit der Frequenz des Eingangssignals und regt das Schwingungsgebilde zu Schwingungen mit eben dieser Frequenz an.

Vorteilhaft stimmt die Frequenz des Eingangssignals schon bei der ersten 25 Erregung des Schwingungsgebildes durch einen Pulsgenerator mit der Eigenfrequenz des Schwingungsgebildes überein. Dann ist die Amplitude der erregen mechanischen Schwingung bei gleicher Erregungsleistung am größten und die Detektion der Schwingung weniger fehleranfällig. Nach Abkopplung des Pulsgenerator ist durch die Rückkopplung des Ausgangssignals der Wandlerschaltung auf die Erregungseinrichtung grundsätzlich sichergestellt, daß das Schwingungsgebilde stets mit seiner Eigenfrequenz erregt wird.

Diese Eigenfrequenz hängt von der Gestaltung des Schwingungsgebildes, insbesondere von der Länge und Masse der Schwingstäbe und der Federsteifigkeit der Ansatzstelle der Schwingstabe ab. Sie wird durch das die Schwingstäbe umgebende Medium modifiziert, und wird also von der Eintauchtiefe bzw. dem Füllstand und von der Art des Mediums, insbesondere von der durch die Bewegung der Schwingstäbe mitgeführten Masse, beeinflußt. Daher ist die Eigenfrequenz eine geeignete Meßgröße zur Bestimmung des Füllstandes von flüssigen Medien, in welchen durch die Bewegung der Schwingstäbe Masse mitgeführt wird, falls die Dämpfung nicht eine Schwingung weitgehend verhindert.

Neben der Frequenz enthält auch die Amplitude der erzwungenen Schwingung des Schwingungsgebildes Informationen über die Höhe des Füllstandes. Die Amplitude ist umso kleiner, je größer die Dämpfung der Schwingstäbe durch das Medium ist, sie nimmt daher im allgemeinen ab, je tiefer das Schwingungsgebilde in das Medium eintaucht. Bei Medien mit starker Dämpfung wie zähen Flüssigkeiten oder körnigen Feststoffen ändert sich die Amplitude der Schwingung stark mit dem Füllstand und kann daher zu einer zuverlässigen Füllstandsanalyse ausgewertet werden.

Zur Auswertung des Antwortsignals des Schwingungsgebildes muß dieses zunächst von dem Antwortsignal der Erregungseinrichtung bzw. des damit zusammengefaßten Empfangswandlers, vorzugsweise realisiert durch ein mit einem Widerstand in Reihe geschaltetes Piezoelement, getrennt werden. Das sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, dem kombinierten Erregungs- und Empfangselement ein Referenzelement parallelzuschalten. Das Referenzelement liefert ein Ausgangssignal, welches zum Ausgangssignal das Erregungs- und Empfangselements im Falle eines abgekoppelten Schwingungsgebildes proportional ist, also ohne das überlagerte Antwortsignal des Schwingungsgebildes. Das Antwortsignal wird daran innerhalb der Wandlerschaltung durch Differenzbildung, vorzugsweise mit einem Differenzverstärker, der Ausgangssignale des kombinierten Erregungs- und Empfangselements und des Referenzelements ermittelt. In jedem Fall hat das Ausgangssignal der Wandlerschaltung die gleiche Frequenz wie das Antwortsignal des Schwingungsgebildes, die Pulsform wird durch die Gestaltung der Wandlerschaltung bestimmt, insbesondere durch deren Verstärkung.

Das Ausgangssignal der Wandlerschaltung dient als Eingangssignal für die Erregungseinrichtung sowie für das Referenzelement. Ist die Schwingung mit dieser Rückkopplung einmal in Gang gesetzt worden, kann der Pulsgenerator abgekoppelt werden. Die Schwingung des Schwingungsgebildes wird somit durch die Rückkopplung auf ihrer momentanen Eigenfrequenz stabilisiert.

Abhängig davon, ob die Amplitude oder die Frequenz des Antwortsignals der Wandlerschaltung als relevante Größe ausgewertet werden soll, kann die Wandlerschaltung verschieden gestaltet werden.

Bei Auswertung der Frequenz ist eine möglichst hohe Schleifenverstärkung des schwingfähigen elektromechanischen Systems bestehend aus dem Schwingungsgebilde, das mit seinem rückgekoppelten und verstärkten Ausgangssignal erregt wird, von Vorteil. Die Schwingung sollte nicht durch Dämpfung des Schwingungsgebildes zum Erliegen gebracht werden können. Eine hohe Schleifenverstärkung wird vorzugsweise durch Übersteuern eines Verstärkers innerhalb der Wandlerschaltung oder durch einen Nulldurchgangs-Komparator realisiert, so daß das Ausgangssignal der Wandlerschaltung ein nahezu rechteckförmiges Signal ist. Ein derartiges Signal eignet sich zur Ansteuerung der Erregungseinrichtung und ersetzt den Pulsgenerator. Auch lineare Verstärkung des Antwortsignals mit einem sinusförmigen Ausgangssignal ist möglich, solange die Amplitude des Ausgangssignals noch ausreicht, eine nicht gedämpfte Schwingung des Schwingungsgebildes aufrecht zu erhalten. Sicherer und zuverlässiger ist jedoch, durch Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit fester Amplitude eine gleichbleibende Erregung zu gewährleisten, um ein Abklingen der Schwingung zu verhindern. Um höhere Harmonische der Eigenfrequenz herauszufiltern und zur Phasendrehung für eine optimale Rückkopplung ist es von Vorteil, innerhalb der Wandlerschaltung einen Tiefpaß vorzusehen.

Die Frequenz bzw. Periodendauer des Ausgangssignals kann mit bekannten Frequenzauswertemethoden ausgewertet werden. Vorteilhaft ist dazu eine Logikschaltung bestehend aus wenigstens vier monostabilen Flipflops, wobei zwei Flipflops ein Zeitfenster mit vorbestimmter Breite und einstellbarer Verzögerung zur negativen Flanke des Komparators generieren, ein drittes Flipflop einen Impuls generiert, wenn die positive Flanke des Komparators innerhalb des Zeitfensters liegt, und ein viertes Flipflop die Dauer dieses Impulses verlängert. Vorzugsweise ist die Verzögerung so eingestellt, daß die positive Flanke des Komparators in der Mitte des Zeitfensters liegt, wenn das Schwingungsgebilde in Luft schwingt. Damit wird die Periodendauer mit einem vorbestimmten Referenz-Zeitintervall verglichen, das z. B. der Frequenz beim zu detektierenden Füllstand entspricht. Ein elektrisches Schaltelement, schaltet mit einer Verzögerung beim Vorliegen des Impulses des vierten Flipflops.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nicht die Frequenz der Schwingung des Schwingungsgebildes ausgewertet, sondern deren Amplitude. In diesem Fall wird die Erregungseinrichtung mit einem Ausgangssignal der Wandlerschaltung betrieben, welches proportional zur Amplitude der erzwungenen Schwingung des Schwingungsgebildes ist. Wird das Schwingungsgebilde durch das Medium stark gedämpft, so nimmt die Schwingungsamplitude durch die schwächer werdende Rückkopplung bei Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes ab, gegebenenfalls bricht die Schwingung ab. Das Unter- oder Überschreiten einer vorbestimmten Amplitude wird mittels eines Komparators ermittelt und mit einer Verzögerung durch das Schalten eines elektrischen Schaltelements angezeigt.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit zwei parallelen Schwingstäben

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Funktionsprinzips

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Frequenzauswertung

Fig. 4 die Darstellung des zeitlichen Verlaufs verschiedener Impulse.

Fig. 1 zeigt schematisch die mechanischen Komponenten einer Vorrichtung zur Füllstandsüberwachung mit zwei parallelen Schwingstäben 2 als Schwingungsgebilde. Die Vorrichtung ist üblicherweise an einem Behälter befestigt, wobei die Schwingstäbe ins Behälterinnere ragen und ganz oder teilweise mit Medium bedeckt sind. Falls der Füllstand eine bestimmte Höhe über- oder unterschreitet, soll die Vorrichtung ein Schaltsignal abgeben.

Wesentlicher Bestandteil der Erregungseinrichtung 3 ist ein einzelnes Piezoelement 5, welches mit einer Isolierschicht 8 isoliert auf den Boden 9 des Schwingungsgebildes aufgeklebt ist. Das Piezoelement wird an seinen Kontaktflächen 6 und 7 mittels Elektroden mit einem Eingangssignalgeber verbunden.

Der piezoelektrische Effekt wird ausgenutzt: An die Kontaktflächen 6, 7 des piezoelektrischen Elements 5 wird eine elektrische Spannung angelegt. Dadurch verändert sich der Durchmesser bei einem kreisscheibenförmigen Piezoelement oder die Maße einer Piezoplatte. Bei Verwendung einer Wechselspannung werden die Maße wechselweise vergrößert und verkleinert. Dadurch verändern sich auch die Maße des Bodens 9 des Schwingungsgebildes. Die auf der dem Piezoelement abgewandten Seite des Bodens angebrachten Schwingstäbe schwingen mit der Frequenz der zur Erregung an das Piezoelement angelegten Wechselspannung.

Ohne äußere Erregung schwingen die Schwingstäbe 2 bei in Gang gesetzter Schwingung mit ihrer Eigenfrequenz. Diese Eigenfrequenz ist u. a. abhängig von der Länge und Masse der Schwingstäbe, der Federsteifigkeit des Bodens und dem Medium, welches bei der Schwingung der Schwingstäbe mitbewegt wird. Damit enthält die Frequenz der Schwingung Informationen über die Füllstandshöhe und kann dahingehend ausgewertet werden. Auch die Amplitude der Schwingung eignet sich aufgrund der füllstandbedingten Dämpfung zur Auswertung und Füllstandsanalyse.

Durch die Schwingung verändern sich die Maße des Bodens. Dadurch verändern sich auch die Maße des auf den Boden aufgeklebten Piezoelements, das hier gleichzeitig als Empfangswandler 4 fungiert. Wie auch bei der Erregung der Schwingung wird der piezoelektrische Effekt zur Wandlung der mechanischen Verformung in ein elektrisches Signal ausgenutzt: Durch die Veränderung der Maße des Piezoelements wird eine elektrische Spannung an den Kontaktflächen 6, 7 erzeugt. Diese Spannung ist sinusförmig, da die Schwingstäbe auch bei Erregung mit nicht sinusförmigen Pulsformen in guter Näherung nur mit ihrer Grundfrequenz schwingen und höhere Harmonische diese Grundfrequenz nicht angeregt werden.

Die Verwendung desselben Piezoelements als wesentlichen Baustein der Erregungseinrichtung 11 sowie des Empfangswandlers 12 hat den großen Vorteil, daß der Boden 9 der Schwingungseinrichtung voll für die Erregung und für die Detektion genutzt werden kann. Damit kann die zur Erlangung eines Antwortsignals gegebener Amplitude notwendige Spannung bzw. Leistung vermindert werden.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild zur Darstellung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Erregungseinrichtung 11 und Empfangswandler 12 sind in einem Bauelement integriert. Schematisch ist das damit mechanisch verbundene Schwingungsgebilde 10 angedeutet. Die Erregungseinrichtung wird mit einem Eingangssignal betrieben, welches entweder von einem Pulsgenerator 18 erzeugt wird oder das über eine Rückkopplungsleitung 15 rückgekoppelte Ausgangssignal einer Wandlerschaltung 14 ist.

Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung muß das Schwingungsgebilde zunächst in Schwingung versetzt werden. Dazu kann der Pulsgenerator verwendet werden, der das Schwingungsgebilde vorzugsweise mit dessen Eigenfrequenz erregt, da dann die Amplitude der erzwungenen Schwingung am größten ist. Diese Eigenfrequenz ändert sich jedoch mit der Höhe des Füllstandes und ist meist die Größe, die zur Füllstandsanalyse ausgewertet wird. Eine dauerhafte Erregung mit fester Frequenz ist daher nicht zweckmäßig. Vielmehr muß sichergestellt sein, daß das Schwingungsgebilde stets resonant erregt wird, da nur dann das Antwortsignal des Schwingungsgebildes die Information über die Eigenfrequenz und damit die Füllstandshöhe trägt. Die resonante Erregung wird durch eine Rückkopplung des Ausgangssignals der Wandlerschaltung auf den Eingang der Erregungseinrichtung gewährleistet. Dabei ist die Wandlerschaltung so gestaltet, daß sie ein Signal mit der Frequenz des Antwortsignals erzeugt. Nach dem Ingangsetzen der mechanischen Schwingung wird der Pulsgenerator abgekoppelt.

Aus der Verwendung desselben Piezoelements als wesentlichen Baustein der Erregungseinrichtung 11 sowie des Empfangswandlers 12 ergibt sich das Problem, daß das Ausgangssignal des kombinierten Erregungs- und Empfangswandlers eine Überlagerung aus dem reinen Ausgangssignal der Erregungseinrichtung ohne angekoppeltes Schwingungsgebilde und dem Antwortsignal des Schwingungsgebildes darstellt. Das Antwortsignal des Schwingungsgebildes ist jedoch diejenige Größe, die die Information über das Schwingungsverhalten der Schwingstäbe und damit über den Füllstand trägt.

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist daher das Referenzelement 13, welches dem kombinierten Erregungs- und Empfangswandler parallal geschaltet ist. Es wird mit demselben Eingangssignal wie dieser betrieben. Das Referenzelement ist so gestaltet, daß es ein Ausgangssignal liefert, welches mit dem Ausgangssignal so gut wie möglich übereinstimmt, das die Erregungseinrichtung ohne Ankopplung eines Schwingungsgebildes, d. h. ohne die Überlagerung von deren Antwortsignal, abgeben würde, oder zu diesem Signal proportional ist. Ein konkretes Beispiel für die Realisation eines derartigen Referenzelements ist in Fig. 3 gezeigt, wobei in Fig. 4 die dabei gemessenen Eingangs- und Ausgangssignale erläutert werden.

Die Ausgangssignale von Empfangswandler 12 und Referenzelement 13 werden in der Wandlerschaltung 14 verknüpft und modifiziert. Da sich das Ausgangssignal des Empfangswandlers aus dem ungestörten Ausgangssignal ohne Ankopplung des Schwingungsgebildes und aus dessen Antwortsignal additiv zusammensetzt, wird in der Wandlerschaltung die Differenz aus den Ausgangssignalen der Elemente 12 und 13 ausgewertet. Diese Differenz entspricht dem gesuchten Antwortsignal.

Das Antwortsignal wird in der Wandlerschaltung verstärkt und modifiziert. Fig. 3 zeigt u. a. ein Beispiel der Wandlerschaltung, falls die Frequenz die interessierende Größe ist. Sie erzeugt vorzugsweise ein Rechtecksignal, wobei die Frequenz des Antwortsignals beibehalten wird. Ein derartiges Signal eignet sich als Eingangssignal für Erregungseinrichtung und Referenzelement, wodurch der elektromechanische Schwingkreis geschlossen ist, wenn es auf den Eingang diese Elemente rückgekoppelt wird. Der Pulsgenerator kann dann abgekoppelt werden. Wird die dämpfungsabhängige Amplitude des Antwortsignals ausgewertet, z. B. zur Detektion des Füllstandes von sehr viskosen Flüssigkeiten oder körnigen Feststoffen, so wird in der Wandlerschaltung vor allem linear verstärkt und dieses Ausgangssignal auf den Eingang von Erregungseinrichtung und Referenzelement gegeben.

Das Ausgangssignal wird in einer Logikschaltung 16 ausgewertet. Die Frequenz oder Amplitude des Ausgangssignals wird mit einer vorbestimmten Referenzfrequenz oder -amplitude verglichen, welche z. B. der Schwingungsfrequenz oder der Amplitude bei dem Füllstand entspricht, dessen Über- oder Unterschreiten angezeigt werden soll. Fällt dieser Vergleich positiv aus, so gibt die Logikschaltung einen elektrischen Impuls an ein elektrisches Schaltelement 17, ab welches mit einer Verzögerung schaltet und das Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Füllstandes anzeigt.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der elektronischen Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, weiche nach dem in Fig. 2 dargestellten Prinzip verknüpft sind. Der prinzipielle zeitliche Verlauf der elektrischen Impulse ist in Fig. 4 dargestellt.

Ein einzelnes Piezoelement 20 ist in Reihenschaltung mit einem Widerstand 21 an einen Rechteckgenerator 19 angeschlossen. Der Rechteckgenerator erzeugt eine rechteckförmigen Wechselspannung U_in mit fester Frequenz, welche der Eigenfrequenz des Schwingungsgebildes f₀ in einem beliebigen Zustand der Vorrichtung entspricht. Nach dem Anschwingen der Schwingungsvorrichtung wird das Signal des Rechteckgenerators 19 durch das Ausgangssignal der Wandlerschaltung 14' ersetzt, welches ebenfalls rechteckförmig ist und mit der momentanen, tatsächlichen Eigenfrequenz f des Schwingungsgebildes schwingt.

Das Piezoelement 20 hat eine Kapazität C, welche abhängig von seinen Abmessungen und der Dielektrizitätskonstanten ist. Bei der Reihenschaltung von Widerstand und Piezoelement verhält sich das Piezoelement beim Anliegen einer Spannung zunächst wie ein Kondensator. Die Spannung über dem Piezoelement ist eine Auflade-Entladekurve, wie in Fig. 4 mit U_ref bezeichnet dargestellt. Vorzugsweise ist die Zeitkonstante für die charakteristische Anstiegs- und Abfallzeit, das Produkt aus Kapazitätswert C des Piezoelements und Widerstandswert R, durch folgenden Ausdruck gegeben: RC ≈ (2πf₀)^-1, wobei f₀ die Eigenfrequenz der Schwingungsvorrichtung in einem beliebigen Zustand, z. B. beim Schwingen in Luft, ist. Dies stellt sicher, daß die Spannung über dem Piezoelement der anliegenden Eingangsspannung innerhalb der Dauer des Reckteckpulses folgen kann.

Die Schwingung der Schwingungsvorrichtung erzeugt eine sinusförmige Wechselspannung an den Kontaktflächen des Piezoelements, welche sich additiv der Auflade-Entladespannung überlagert. Diese Summenspannung liegt an den Kontaktflächen des Piezoelements und ist in Fig. 4 mit U_err bezeichnet. Die reine Auflade-Entladespannung, also das Ausgangssignal der Erregungseinrichtung im Falle der Nichtankopplung einer Schwingungsvorrichtung, ist in Fig. 4 dargestellt und mit U_ref bezeichnet. Sie ist das Ausgangssignal des Referenzelements.

Das Referenzelement wird durch einen Kondensator 22 in Verbindung mit einem dazu in Reihe geschalteten weiteren Widerstand 23 gebildet, welche ebenfalls an den Rechteckgenerator 19 angeschlossen bzw. mit dem Ausgang der Wandlerschaltung 14' rückgekoppelt sind. Die Zeitkonstante der beiden Bauteile ist die gleiche wie bei der oben beschriebenen Reihenschaltung aus Piezoelement 20 und Widerstand 21. Beispielsweise werden sowohl Kapazität als auch Widerstandswert der Komponenten übereinstimmend gewählt. Die Spannung U_ref über dem Kondensator ist die typische Auflade-Entladekurve für einen mit einem Rechtecksignal, hier U_in, angesteuerten Kondensator.

Mit einem Differenzverstärker 24 wird die Auflade-Entladespannung U_ref des Kondensators 22 von der Summenspannung U_err an den Kontaktflächen des Piezoelements 20 abgezogen. Es wird die Differenz der Ausgangssignale des kombinierten Erregungs-Empfangswandlers und des Referenzelements gebildet. Das Ergebnis U_diff entspricht der sinusförmigen Wechselspannung, welche durch die Schwingung der Schwingungsvorrichtung an den Kontaktflächen des Piezoelements 20 erzeugt wird.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 24 ist mit einem Nulldurchgangs- Komparator 26 verbunden, welcher ein rechteckförmiges Signal mit der Frequenz des Antwortsignals und fester Amplitude erzeugt. Ähnliche Wirkung hat ein übersteuerter Verstärker 24. Beides stellt eine hohe Schleifenverstärkung im elektromechanischen Schwingkreis aus Erregungs- und Empfangswandler, Schwingungsgebilde und Verstärker her.

Da das Schwingungsgebilde im allgemeinen eine Phasendrehung des Ausgangssignals relativ zu den Eingangssignalen erzeugt, ist es von Vorteil, die Phase des verstärkten Antwortsignals mit einem Tiefpaß zu drehen, so daß die Rückkopplung phasenrichtig erfolgt. Die hier dargestellte Wandlerschaltung 14' weist zwischen Verstärker und Komparator daher einen geeigneten Tiefpaß 25 auf. Der Tiefpaß filtert weiterhin höhere Harmonische der Grundfrequenz heraus, so daß die Erregung des mechanischen Schwingungsgebildes stets mit dessen Grund-/Eigenfrequenz erfolgt.

Die dargestellte Schaltung ist für die Fälle geeignet, in denen die Frequenz der Schwingungsvorrichtung ausgewertet werden soll, um eine Information über den Füllstand zu erhalten. Dies ist insbesondere bei der Detektion des Füllstandes von Flüssigkeiten eine geeignete Meßmethode, da die Eigenfrequenz der Schwingung aufgrund der von den Schwingstäben mitgeführten Masse stark vom Füllstand abhängt, die Amplitude der Schwingung jedoch kaum gedämpft wird.

Ein elektrisches Schaltelement 32 schaltet in Abhängigkeit davon, ob die Frequenz der Schwingungsvorrichtung eine fest eingestellte Frequenz entweder über- oder unterschreitet. Hierfür wird eine Logikschaltung 16' bestehend aus vier monostabilen Flip-Flops 27, 28, 29, 30 verwendet. Die ersten beiden monostabilen Flip-Flops 27, 28 generieren ein Zeit-Fenster, welche eine feste Breite und eine einstellbare Verzögerung zur negativen Flanke des Komparator-Ausgangs hat, also zur negativen Flanke von U_in aus Fig. 4. Die Verzögerung wird so eingestellt, daß die positive Flanke des Komparator-Ausgangs in der Mitte des Zeit-Fensters liegt, wenn die Schwingungsvorrichtung in Luft bzw. in einem anderen definierten Zustand schwingt.

Das dritte monostabile Flip-Flop 29 generiert einen Impuls, wenn die positive Flanke des Komparator-Ausgangs in der Betriebssituation innerhalb des Zeit- Fensters liegt. Das vierte monostabile Flip-Flop 30 verlängert die Zeit dieses Impulses. Das elektrische Schaltelement 32 schaltet mit einer weiteren Verzögerung, die durch ein Bauelement 31 erzeugt wird.

Alternativ dazu ist die Auswertung der Amplitude der Schwingung geeignet, wenn die Bedeckung des Schwingungsgebildes mit Feststoffen oder mit stark viskosen Flüssigkeiten detektiert werden soll. Bei Bedeckung der Schwingstäbe mit einem Feststoff wird die Schwingungsamplitude der Stäbe stark bedämpft. Die gesamte Schleifenverstärkung des schwingungsfähigen Systems wird dadurch stark reduziert. Die Schleifenverstärkung reicht nicht mehr aus um die Schwingstäbe in ihrer Eigenfrequenz zu erregen. Die Schwingung reißt ab oder erfolgt auf einer anderen Frequenz. Die Amplitude der Schwingung ist in beiden Fällen sehr gering. Ein elektrisches Schaltelement schaltet in Abhängigkeit davon, wie groß die Amplitude des Ausgangs des Differenzverstärkers, der in diesem Fall - gegebenenfalls zusammen mit einem Tiefpaß - die Wandlerschaltung bildet. Hierfür wird als Logikschaltung ein Komparator mit fest eingestellter Schaltschwelle verwendet.

Bezugszeichenliste

1

,

10

Schwingungsgebilde

2

Schwingstab

3

,

11

Erregungseinrichtung

4

,

12

Empfangswandler

5

,

20

Piezoelement

6

,

7

Kontaktflächen

8

Isolationsschicht

9

Boden des Schwingungsgebildes

13

Referenzelement

14

,

14

' Wandlerschaltung

15

Rückkopplungsleitung

16

,

16

' Logikschaltung

17

,

32

Schaltelement

18

,

19

Pulsgenerator

21

,

23

Widerstand

24

Differenzverstärker

25

Tiefpaß

26

Komparator

27

,

28

,

29

,

30

Flipflop

31

Verzögerungselement

Claims

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem mechanischen Schwingungsgebilde (1, 10), bestehend aus wenigstens einem Schwingstab (2), der von einer piezoelektrischen Erregungseinrichtung (3, 11) zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, mit einem piezoelektrischen Empfangswandler (4, 12) zum Detektieren der vom Schwingstab (2) ausgehenden Schwingungsimpulse und einer an den Empfangswandler (4, 12) angeschlossenen Wandlerschaltung (14, 14'), die die Signale des Empfangswandlers auszuwerten imstande ist, wobei das Ausgangssignal der Wandlerschaltung als Eingangssignal der Erregungeinrichtung aufgegeben wird, dadurch gekennzeichnet,
daß Erregungseinrichtung (3, 11) und Empfangswandler (4, 12) in ihren wesentlichen Bestandteilen übereinstimmen, insbesondere dasselbe Piezoelement (5, 20) oder dieselben Piezoelemente zur Erregung und zur Detektion der Schwingung verwendet ist/sind,
daß das Eingangssignal der Erregungeinrichtung zusätzlich einen Referenzelement (13) aufgegeben wird, welches der Erregungseinrichtung parallel geschaltet ist, wobei das Ausgangssignal des Referenzelements (13) zu dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) im Falle der Nichtankopplung des Schwingungsgebildes (1, 10) proportional ist,
daß die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) und dem Ausgangssignal des Referenzelements (13) in der Wandlerschaltung (14, 14') verstärkt wird und zur Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandlerschaltung dient,
und daß die Frequenz oder die Amplitude des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einer vorbestimmten Referenzfrequenz bzw. -amplitude verglichen wird, wobei ein Schaltelement (17, 32) dann ein Signal erzeugt, wenn die tatsächliche Frequenz oder Amplitude die Referenzfrequenz bzw. -amplitude über- oder unterschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Wandlerschaltung (14, 14') in einer Logikschaltung (16, 16') ausgewertet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstand R' und Kapazität C' des Referentelements (13) so gewählt sind, daß die Zeitkonstante τ'=R'C'' des Ausgangssignals des Referenzelements mit der Zeitkonstante τ des über dem Piezoelement (20) gemessenen Ausgangssignals bei Nichtankopplung eines Schwingungsgebildes (1, 10) übereinstimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand R (21) mit dem Piezoelement (20) in Reihe geschaltet ist und das Referenzelement (13) aus einem Widerstand R' (23) und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator C' (22) besteht, wobei die Produkte als Kapazität C' des Kondensators und Widerstandswert R' bzw. Kapazität C' des Piezoelements und Widerstandswert R übereinstimmen, d. h. RC ≈ R' C''.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Kapazität C des Piezoelements und die Kapazität C' des Kondensators sowie die Widerstandswerte R und R' übereinstimmen, d. h. C ≈ C'' und R ≈ R'.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kapazität C des Piezoelements (20), den Widerstandswert R (21) des in Reihe geschalteten Widerstands und die Eigenfrequenz f₀ des Schwingungsgebildes (1, 10) näherungsweise der Zusammenhang f₀ ≈ (2πRC)^-1 gilt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Hilfe eines zuschaltbaren Pulsgenerators (18, 19) arbeitet, welcher das Eingangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) und des Referenzelements (13) liefert und damit die Schwingung das Schwingungsgebildes (1, 10) und die Rückkopplung der Erregungeinrichtung (3, 11) mit dem Ausgangssignal der Wandlerschaltung (14, 14') in Gang setzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgenerator (18, 19) nach Anschwingen des Schwingungsgebildes (1, 10) abgekoppelt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgenerator Rechteckpulse mit näherungsweise der Eigenfrequenz f₀ des Schwingungsgebildes erzeugt, d. h. für die Erregungsfrequenz gilt f_err ≈ f₀, vorzugsweise auch f_err = (2πRC)^-1.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Erregungeinrichtung und das Ausgangssignal des Referenzelements die über dem Piezoelement bzw. dem Kondensator gegen Masse gemessene Spannung ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einen Komparator mit vorbestimmter Schaltschwelle ausgewertet wird, welcher mit einer zeitlichen Verzögerung das elektrische Schaltelement ansteuert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung einen Differenzverstärker (24) mit nachgeschaltetem Tiefpaß (25) enthält, welcher die Phase der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers dreht und höhere Harmonische der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Schwingungsgebildes herausfiltert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung einen Nulldurchgangs-Komparator (26) enthält, welcher dem Tiefpaß nachgeschaltet ist, so daß das Ausgangssignal der Wandlerschaltung ein rechteckförmiger Spannungspuls mit der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Schwingungsgebildes und mit konstanter Amplitude ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker oder eine weitere nachgeschaltete Verstärkerstufe übersteuert ist, so daß das Ausgangssignal der Wandlerschaltung ein nahezu rechteckförmiger Spannungspuls mit der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Schwingungsgebildes und mit konstanter Amplitude ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einer Logikschaltung bestehend aus wenigstens vier monostabilen Flipflops (27, 28, 29, 30) ausgewertet wird, wobei zwei Flipflops ein Zeitfenster mit vorbestimmter Breite und einstellbarer Verzögerung zur negativen Flanke des Komparators generieren, ein drittes Flipflop einen Impuls generiert, wenn die positive Flanke des Komparators innerhalb des Zeitfensters liegt und ein viertes Flipflop die Dauer dieses Impulses verlängert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung so eingestellt ist, daß die positive Flanke des Komparators in der Mitte des Zeitfensters liegt, wenn des Schwingungsgebilde in Luft schwingt.