DE19757101A1 - Füllstandmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstandmeßvorrichtung mit einer Schwinggabel und einem Wandler zum Schwingungsantreiben und zum Erfassen der Antwort der Schwinggabel.

Derartige Füllstandmeßvorrichtungen sind bekannt. Grundsätz­ lich können derartige Füllstandmeßvorrichtungen zur Grenz­ standerfassung von Minimum- und Maximum-Füllhöhen verwandt werden.

Die Aufgabe der Grenzstanderfassung besteht darin, das Er­ reichen bestimmter Füllhöhen anzugeben, wobei diese Füllhöhen an einem festen Punkt erfaßt und in ein Signal umgeformt wer­ den können, welches dann beispielsweise als ein Schaltbefehl verwandt werden kann.

Die Überfüllsicherungen sind besondere Meßeinrichtungen zur Grenzstanderfassung, wodurch die Überfüllung von Behältern verhindert werden kann. Dies ist besonders dann wichtig, wenn Schäden an Mensch und Umwelt durch ein Überfüllen von Behäl­ tern mit z. B. wassergefährdenden und/oder brennbaren Flüssig­ keiten verhindert werden sollen.

Die bisher bekannten Schwinggabeln von Füllstandmeßvorrichtun­ gen bestehen aus Metall, wobei vorzugsweise ein Chrom-Nickel- Stahl (VA) verwandt wird.

Die einzelnen Teile der Füllstandmeßvorrichtung sind mit den metallüblichen Verfahren hergestellt, beispielsweise mittels Gießen, Schmieden oder Drehen und werden anschließend mitein­ ander verschweißt oder verschraubt.

Diese aus Metall bestehenden Ausführungen sind herstellungs­ bedingt sehr aufwendig und somit kostspielig. Andererseits weist Metall als Werkstoff für die Schwinggabeln ausgezeichne­ te Schwingeigenschaften sowie eine gute mechanische Stabilität auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Füll­ standmeßvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit technisch einfachen Mitteln stets exakt und zuverlässig arbeitet und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Füllstandmeßvorrichtung der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schwinggabel aus Kunststoff besteht und eine innere Metall­ armierung bzw. einen inneren Metallkern aufweist.

Erfindungsgemäß ist es dadurch möglich, die Vorteile, ins­ besondere bezüglich des Schwingverhaltens, einer Schwinggabel aus Metall weiterhin zur Verfügung zu haben und dennoch eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, da für den Metall­ kern ein preiswerteres Material verwandt werden kann.

Ein vorteilhaftes Schwingverhalten der Schwinggabel ist er­ zielbar, wenn der Metallkern aus einem Federmetall, beispiels­ weise Federstahl, besteht.

In vorteilhafter Weise kann für den Metallkern ein entspre­ chend gebogenes kostengünstiges Flachmaterial verwandt werden.

Da bei den Schwingungen der Schwinggabel periodische Kräfte auftreten, die zu einem Ablösen des Kunststoffs von dem Me­ tallkern führen könnte, ist es vorteilhaft, wenn der Metall­ kern mit Öffnungen bzw. Lochungen versehen ist, die mit dem Kunststoff ausgefüllt sind und somit einer besseren Verbindung des Kunststoffs miteinander dienen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist es vorteilhaft, wenn der Verbindungssteg zwischen den einzelnen Zinken des Metallkerns der Schwinggabel mit einem Zugbolzen versehen ist, der an einem Ende an einer kunststoff­ freien Oberfläche des Metallkerns anliegt, während das ent­ gegengesetzte Ende des Zugbolzens mit dem Wandler verbunden ist.

Obwohl eine Vielzahl von Verbindungsarten des Zugbolzens mit dem Metallkern möglich ist, wird bevorzugt, wenn der Zugbolzen an dem Verbindungssteg des Metallkerns angeschweißt ist.

Nach einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Wandler und dem Verbindungssteg des Metallkerns ein Druck­ stück angeordnet, das den Zugbolzen umschließt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt dieses Druckstück kraftschlüssig mit Stützfüßen nahe den Knickpunkten des Metallkerns an diesem auf und überträgt somit eine mittels einer Mutter und dem Zugbolzen aufbringbare Vorspannung auf den Metallkern.

Da durch die schwingenden Gabelzinken Füllgutflüssigkeit verdrängt wird, ist es zur Vermeidung unnötiger Strömungs­ widerstände vorteilhaft, wenn der den Metallkern ummantelnde Kunststoff ein strömungsgünstiges Profil aufweist.

Wenn der Füllstand von Schüttgütern zu erfassen ist, ist es vorteilhaft, wenn die Schwinggabel und der Wandler dazu ausge­ legt sind, eine Schwingungsdämpfung für diese Erfassung auszu­ werten.

Sollte allerdings der Füllstand einer Flüssigkeit zu erfassen sein, ist es von Vorteil, wenn die Schwinggabel und der Wand­ ler dazu ausgelegt sind, diesen Füllstand durch Auswerten einer Schwingungsfrequenz zu erfassen.

Obwohl eine Vielzahl verschiedener Kunststoffe verwandt werden kann, ist es bevorzugt, wenn der Kunststoff ein thermoplasti­ scher Kunststoff ist, der durch ein Spritzgußverfahren aufge­ bracht werden kann.

Vorzugsweise besteht daher der Kunststoff aus Polyphenylensul­ fid (PPS), oder aber bei Füllstandmeßvorrichtungen für den Einsatz in chemisch aggressiven Bereich aus einem chemisch inerten Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Des weiteren ist es bei der Verwendung der Füllstandmeßvor­ richtung in dem Lebensmittelbereich von Vorteil, die Schwing­ gabel und einen Prozeßanschluß so zu gestalten, daß sich keine "Schmutznester" bilden können. Die Schwinggabel und der Prozeßanschluß müssen also chemisch sauber mit einer sehr glatten Oberfläche ausgebildet sein, wobei zweckmäßigerweise kleine Radien vermieden werden.

Um diese glatten Außenflächen an der Schwinggabel zu errei­ chen, kann z. B. eine zu verwendende Kunststofform, in der zumindest die Schwinggabel gespritzt wird, innen poliert sein.

Eine besonders kostengünstige und zudem auch noch gegen äußere Einflüsse geschützte Ausführungsform für eine Füllstandmeßvor­ richtung ist dadurch erzielbar, wenn die Ummantelung des Me­ tallkerns der Schwinggabel, eine den Wandler und ggf. diesem zugeordneten Teile umgebende Antriebsaufnahme, ein Prozeß­ anschluß und ein Elektronikgehäuse aus einem einstückigen Kunststoffteil bestehen.

Obwohl für Füllstandmeßvorrichtungen eine Vielzahl elektri­ scher Wandler bekannt ist, wird für die mit der Schwinggabel versehene Füllstandmeßvorrichtung ein piezoelektrischer Wand­ ler bevorzugt.

Zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter be­ schrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Füllstandmeßvorrichtung und

Fig. 2 eine vollständig geschnittene weitere Seiten­ ansicht der in Fig. 1 gezeigten Füllstandmeß­ vorrichtung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen teilweise geschnittene, unter­ schiedliche Seitenansichten einer Füllstandmeßvorrichtung. Die gezeigte Füllstandmeßvorrichtung weist dabei eine Schwinggabel 1 auf, deren Zinken, ausgehend von einem diese Zinken verbin­ denden Verbindungsstück, in Richtung auf ihre freien Enden divergieren.

Wie in den Figuren zu sehen, besteht die Schwinggabel 1 aus einem Metallkern 2, der mit einem Kunststoff ummantelt ist. Dieser Kunststoff kann beispielsweise mit einem Spritzguß­ verfahren aufgebracht werden und besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff. Je nach Anwendungsfall kann dieser thermoplastische Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS), oder aber, für den Einsatz im chemischen Bereich ein chemisch inertes Fluorpolymer sein, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Auf der den Zinken abgewandten Seite des Verbindungsstücks des Metallkerns 2 ist ein Zugbolzen 3 angebracht, der bevorzugt an dem Verbindungsstück angeschweißt ist. Dieser Zugbolzen 3 wird vor dem Umspritzen an dem Metallkern 2 in einem späteren Mem­ branzentrum aufgeschweißt.

Wie insbesondere in der Fig. 2 gezeigt, nimmt ein Druckstück 5 mit seiner zentrischen Bohrung diesen Zugbolzen 3 auf. Des weiteren weist dieses Druckstück 5 zwei das Verbindungsstück des Metallkerns 2 berührende Stützfüße 15 auf, die in der Nähe der beiden Knicklinien des Metallkerns 2 an diesem aufliegen.

Der mittlere Teil der Innenseite einer Membran 4 ist im Be­ reich der Stützfüße 15 und des Zugbolzens 3 nicht umspritzt, so daß der Metallkern 2 hier freiliegt und die Stützfüße 15 direkt auf dem Metallkern 2 aufliegen.

Auf der der Schwinggabel 1 abgewandten Seite des Druckstücks 5 ist ein Wandler 6 angeordnet, der bevorzugt ein piezoelek­ trischer Wandler 6 ist. Dieser piezoelektrische Wandler 6 umgibt ringförmig den Zugbolzen 3 und liegt auf dem Druckstück 5 kraftschlüssig auf.

Der Zugbolzen 3 weist eine derartige Länge auf, daß er den piezoelektrischen Wandler 6 überragt. An diesem überragenden Stück ist eine Mutter 14 aufgeschraubt, mit welcher eine de­ finierte und somit steuerbare Vorspannung über den Zugbolzen 3 auf den piezoelektrischen Wandler 6 aufbringbar ist.

Das Druckstück 5 liegt kraftschlüssig mit seinen Stützfüßen 15 nahe den oben bezeichneten Knicklinien des Metallkerns 2 auf und überträgt somit diese Vorspannung auf den Metallkern 2. Der Kraftflußkreis ist somit über den Zugbolzen 3 geschlossen.

Der piezoelektrische Wandler 6 wird über eine Elektronik 10, das von einem Elektronikgehäuse 9 umgeben ist, in der Reso­ nanzfrequenz der Stimmgabel 1 erregt und überträgt so seine pulsierende axiale Ausdehnung über die Mutter 14 auf den Zug­ bolzen 3 und infolgedessen auch auf den mittleren Knotenpunkt des Metallkerns 2 bei dem Zugbolzen 3 bzw. auf das Zentrum der Membran 4. Das axiale Pulsieren der Membran 4 führt über die Abstützung der Stützfüße 15 zu einer Auslenkung der Zinken und somit zu einem gegensinnigen Schwingen der Schwinggabel 1.

Diese gegenseitigen bzw. gegensinnigen Schwingungen werden von einem die Schwinggabel 1 berührenden Füllgut beeinflußt. Dabei hat es sich zur Füllstandmessung von Schüttgütern als vorteil­ haft gezeigt, zur Erfassung bzw. Detektion der Füllhöhe von diesem Schüttgut die Schwingungsdämpfung auszuwerten, während es bei der Füllstandmessung von Flüssigkeiten vorteilhaft ist, die Schwingungsfrequenz auszuwerten.

Das Druckstück 5 und der piezoelektrische Wandler 6 sind in einer Antriebsaufnahme 7 angeordnet, an welcher sich in einer der Schwinggabel 1 entgegengesetzten Richtung ein Prozeßan­ schluß 8 anschließt, der bevorzugt ein Einschraubgewinde und einen Sechskant aufweist.

Diesem Prozeßanschluß 8 ist das Elektronikgehäuse 9 nachge­ schaltet, das die bereits oben genannte Elektronik 10 auf­ nimmt. Die für den Betrieb der Füllstandmeßvorrichtung notwen­ dige Anbindung an externe Geräte erfolgt durch einen Deckel 12, der das Elektronikgehäuse 9 über eine Dichtung 11 ver­ schließt. In diesem Deckel 12 ist eine Leitungsdurchführung 13 vorgesehen, die die notwendigen Leitungen zu diesen externen Geräten nach außen führt.

Obwohl das Gehäuse für die Füllstandmeßvorrichtung aus mehre­ ren Teilen zusammengefügt werden kann, ist es nicht nur aus Gründen einer besseren Abdichtung gegenüber evtl. eintretende Fremdkörper, sondern auch noch aus Festigkeitsgründen vorteil­ haft, wenn die Ummantelung des Metallkerns 2 der Schwinggabel 1, die Antriebsaufnahme 7, der Prozeßanschluß 8 sowie das Elektronikgehäuse 9 aus einem einstückig hergestellten Kunst­ stoffteil bestehen.

Diese mit einem einstückigen Gehäuse versehene Füllstandmeß­ vorrichtung ist dann besonders zur Füllstandmessung von che­ misch aggressiven Füllgut geeignet, wobei bevorzugt als Kunststoff ein chemisch inertes Fluorpolymer, z. B. Polyviny­ lidenfluorid (PVDF) verwandt wird. Ferner ist es beim Einsatz in Lebensmitteln zweckmäßig, die Schwinggabel 1 und den Pro­ zeßanschluß 8 so zu gestalten, daß sich keine "Schmutznester" bilden können. Die Schwinggabel 1 und der Prozeßanschluß 8 müssen also sauber und mit sehr glatten Oberflächen ausge­ bildet sein. Zweckmäßigerweise werden auch noch kleine Radien vermieden.

Um diese glatten Außenflächen an der Schwinggabel 1 zu er­ reichen, kann beispielsweise eine Kunststofform, in der die Schwinggabel 1 und ggf. auch noch die übrigen Gehäuseteile gespritzt werden, innen poliert sein.

Somit stellt die Erfindung eine stets sicher und zuverlässig arbeitende Füllstandmeßvorrichtung zur Verfügung, die zudem auch noch äußerst kostengünstig herstellbar ist.

Bezugszeichenliste

1

Schwinggabel

2

Metallkern

3

Zugbolzen

4

Membran

5

Druckstück

6

Piezoelektrischer Wandler (Antrieb/Detektion)

7

Antriebsaufnahme

8

Prozeßanschluß mit Einschraubgewinde und Sechskant

9

Elektronikgehäuse

10

Elektronik

11

Dichtung

12

Deckel

13

Leitungsdurchführung

14

Mutter zur Vorspannung des piezoelektrischen Wandlers

15

Stützfuß des Druckstücks (

5

)

16

Lochung zur sicheren Verbindung des Kunststoffs

Claims (21)

1. Füllstandmeßvorrichtung mit einer Schwinggabel (1) und einem Wandler (6) zum Schwingungsantreiben und zum Erfassen der Antwort der Schwinggabel (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinggabel (1) aus Kunststoff gebildet ist und einen inneren Metallkern (2) aufweist.

2. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallkern (2) aus einem Federmetall be­ steht.

3. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (2) aus einem entsprechend gebogenen Flachmaterial besteht.

4. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (2) mit Öffnungen bzw. Lochungen (16) versehen ist, die eben­ falls mit dem Kunststoff ausgefüllt sind.

5. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbin­ dungssteg zwischen den einzelnen Zinken des Metallkerns (2) der Schwinggabel (1) mit einem Zugbolzen (3) versehen ist, der an einem Ende an einer kunststofffreien Oberfläche des Metall­ kerns (2) anliegt, während das entgegengesetzte Ende des Zug­ bolzens (3) mit dem Wandler (6) verbunden ist.

6. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zugbolzen (3) an dem Verbindungssteg des Metallkerns (2) angeschweißt ist.

7. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wandler (6) und dem Verbin­ dungssteg des Metallkerns (2) ein Druckstück (5) angeordnet ist, das den Zugbolzen (3) umschließt.

8. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der dem. Verbindungssteg des Metallkerns (2) zugewandten Seite des Druckstückes (5) Stützfüße (15) angeord­ net sind, die den Verbindungssteg berühren.

9. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Stützfüße (15) nahe den beiden Kanten bzw. Knickpunkten zwischen dem Verbindungssteg und den schwingfähigen Zinken der Schwinggabel (1) angeordnet sind.

10. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfüße (15) des Druckstückes (5) kraftschlüssig auf dem Verbindungssteg des Metallkerns (2) aufliegen.

11. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der An­ sprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfüße (15) direkt auf der metallischen Oberfläche des Verbindungs­ steges des Metallkerns (2) aufliegen.

12. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der An­ sprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) den Zugbolzen (3) ringförmig umgibt, mit seiner zur Schwingga­ bel (1) weisenden Oberfläche das Druckstück (5) berührt und mittels einer auf den über den Wandler (6) hinausragenden Teil des Zugbolzens (3) aufgeschraubten Mutter (14) gegenüber dem Druckstück (5) mit einer steuerbaren Vorspannkraft beauf­ schlagbar ist.

13. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der den Metallkern ummantelnde Kunststoff ein strömungsgünstiges Profil aufweist.

14. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinggabel (1) und der Wandler (6) dazu ausgelegt sind, durch Auswerten einer Schwingungsdämpfung den Füllstand von Schüttgütern zu erfassen.

15. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinggabel (1) und der Wandler (6) dazu ausgelegt sind, durch Auswerten einer Schwingungsfrequenz den Füllstand von Flüssigkeiten zu erfassen.

16. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein thermoplastischer Kunststoff ist.

17. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kunststoff ein Polyphenylensulfid (PPS) ist.

18. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kunststoff ein chemisch inertes Fluor­ polymer, beispielsweise ein Polyvinylidenfluorid ist.

19. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinggabel (1) zur Messung des Füllstandes von Lebensmitteln mit entsprechenden Oberflächen und Radien versehen und der Prozeßanschluß (8) antiseptisch ausgeführt ist.

20. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung des Metallkerns (2) der Schwinggabel (1), eine den Wandler (6) und ggf. diesem zugeordneten Teile umgebende An­ triebsaufnahme (7), ein Prozeßanschluß (8) und ein Elektronik­ gehäuse (9) aus einem einstückigen Kunststoffteil bestehen.

21. Füllstandmeßvorrichtung nach mindestens einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) ein piezoelektrische Wandler (6) ist.