DE19825501C2 - Füllstandmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstandmeßvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige Füllstandmeßvorrichtungen sind z. B. aus DE 36 23 741 A1 bekannt. Die dort vorgesehenen Gabelzinken sind in an sich bekann­ ter Art und Weise durch eine Metallmembran mit Metalleinschraubge­ winde gehalten.

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

Die einzelnen Teile der Füllstandmeßvorrichtung sind mit den me­ tallüblichen Verfahren hergestellt, beispielsweise mittels Gießen, Schmieden oder Drehen und werden anschließend miteinander ver­ schweißt oder verschraubt. Üblicherweise wird dabei für jede Schwinggabel sehr arbeitsintensiv eine Gießform hergestellt, die bei der Herausnahme der fertig gegossenen Schwinggabel zerstört wird.

Diese aus Metall bestehenden Ausführungen sind daher herstellungs­ bedingt sehr aufwendig und somit kostspielig. Andererseits weist Metall als Werkstoff für die Schwinggabeln ausgezeichnete Schwin­ geigenschaften sowie eine gute mechanische Stabilität auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Füllstand­ meßvorrichtung 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 durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist es dadurch möglich, die Vorteile, insbeson­ dere bezüglich des Schwingverhaltens, einer Schwinggabel aus Me­ tall weiterhin zur Verfügung zu haben und dennoch eine kosten­ günstige Herstellung zu ermöglichen, da für das Metallprofil ein preiswertes Material verwandt werden kann. Zudem kann die Schwingzahl dank der teilweisen Kunststoffumspritzung im Bereich des Verbindungssteges der Schwingabel einfach an eine entspre­ chende Einrichtung der Meßvorrichtung angeflanscht werden, wenn die Kunststoffumspritzung um einen Anflanschstutzen erweitert ist.

Als sehr kostengünstiges Metallprofil kann als Stangenware er­ hältliches Flach- oder Strangprofil eingesetzt werden. Von die­ sem Flach- oder Strangprofil wird eine für die Schwinggabel not­ wendige Länge abgetrennt und anschließend mindestens annähernd U-förmig gebogen. Im nächsten Schritt wird das so U-förmig gebo­ gene Metallprofil im Bereich des Verbindungssteges mit Kunst­ stoff umspritzt und zwar derart, daß die den beiden Gabelzinken des U-förmigen Metallprofils abgewandte Oberfläche frei bleibt und die gegenüberliegende, den Gabelzinken zugewandte Oberfläche mit Kunststoff bedeckt ist. Zusätzlich sind die beiden Gabelzin­ ken in einem kurzen, am Verbindungssteg liegenden Abschnitt ebenfalls noch von Kunststoff umspritzt. Der überwiegende Teil der Gabelzinken ist dagegen nicht von Kunststoff umspritzt, so daß diese Gabelzinken optimal schwingen können. Die Schwingeigenschaften sind gegenüber einer Schwinggabel, bei der die Ga­ belzinken vollständig mit Kunststoff ummantelt sind, deutlich verbessert.

Ein vorteilhaftes Schwingverhalten der Schwinggabel ist erziel­ bar, wenn das Metallprofil aus einem Federmetall, beispielsweise Federbronze, besteht.

In vorteilhafter Weise kann für das Metallprofil ein entspre­ chend gebogenes kostengünstiges Flachmaterial verwandt werden.

Da bei den Schwingungen der Schwinggabel periodische Kräfte auf­ treten, die zu einem Ablösen des Kunststoffs von dem Metallpro­ fil führen könnte, ist es vorteilhaft, wenn das Metallprofil im Bereich der Kunststoffummantelung mit Öffnungen oder Lochungen versehen ist, die mit dem Kunststoff ausgefüllt sind und somit einer besseren Verbindung des Kunststoffs miteinander dienen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Verbindungssteg zwischen den ein­ zelnen Zinken der Schwinggabel mit einem Zugbolzen versehen ist, der an einem Ende an einer kunststofffreien Oberfläche des Me­ tallprofils anliegt, während das entgegengesetzte Ende des Zug­ bolzens mit dem Wandler verbunden ist.

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

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

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

Falls der Füllstand von strömenden Medien, insbesondere strömen­ den Flüssigkeiten, erfaßt werden soll, ist es zur Vermeidung un­ nötiger Strömungswiderstände vorteilhaft, wenn sowohl das Me­ tallprofil als auch der dieses teilweise ummantelnde Kunststoff ein strömungsgünstiges Profil aufweisen.

Wenn der Füllstand von Schüttgütern zu erfassen ist, ist es vor­ teilhaft, wenn die Schwinggabel und der Wandler dazu ausgelegt sind, eine Schwingungsdämpfung für diese Erfassung auszuwerten.

Sollte allerdings der Füllstand einer Flüssigkeit zu erfassen sein, ist es von Vorteil, wenn die Schwinggabel und der Wandler 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 Polyphenylensulfid (PPS), oder aber bei Füllstandmeßvorrichtungen für den Lebens­ mittelbereich aus einem chemisch inerten Fluorpolymer, wie z. B. Polyvenyläthylenfluorid (PVDF).

Des Weiteren ist es bei der Verwendung der Füllstandmeßvorrich­ tung in dem Lebensmittelbereich von Vorteil, die Schwinggabel und einen Prozeßanschluß so zu gestalten, daß sich keine "Schmutznester" bilden können. Die Schwinggabel und der Prozeß­ anschluß müssen also chemisch sauber und mit einer sehr glatten Oberfläche ausgebildet sein, wobei zweckmäßigerweise geringe Ra­ dien vermieden werden.

Um diese glatten Außenflächen an der Schwinggabel zu erreichen, kann z. B. eine zu verwendende Kunststoffform, in der zumindest der Verbindungssteg der Schwinggabel umspritzt wird, innen po­ liert sein.

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

Obwohl für Füllstandmeßvorrichtungen eine Vielzahl elektrischer Wandler bekannt ist, wird für die mit der Schwinggabel versehene Füllstandmeßvorrichtung ein piezoelektirscher Wandler bevorzugt.

Zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen sind in weiteren Un­ teransprüchen angegeben.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung un­ ter Bezugnahme auf die Figuren detaillierter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine vollständig geschnittene Seitenansicht einer ersten Füllstandmeßvorrichtung, und

Fig. 2 eine ähnliche Schnittansicht wie in Fig. 1 einer zweiten Füllstandmeßvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Füllstandmeßvorrichtung weist eine Schwinggabel 2 auf, deren Zinken bzw. Gabelzinken 2a, 2b, ausge­ hend von einem diese Zinken verbindenden Verbindungssteg 2c in Richtung auf ihre freien Enden divergieren.

Die Schwinggabel 2 besteht aus einem U-förmig gebogenen Metall­ profil, das im Bereich des Verbindungssteges 2c teilweise in Kunststoff eingebettet ist. Das Metallprofil ist z. B. aus einem als Stangenware erhältlichen Flach- oder Strangprofil durch Ab­ längen und anschließendes U-Biegen gebildet. Das U-förmig gebogene Metallprofil wird anschließend im Bereich des Verbindungs­ steges 2c mit Kunststoff umspritzt. Hierbei wird die den beiden Gabelzinken 2a, 2b der durch das Metallprofil gebildeten Schwin­ gabel 2 abgewandte Oberfläche des Verbindungssteges 2c nicht und die den Gabelzinken 2a, 2b zugewandte Oberfläche des Verbin­ dungssteges 2c mit Kunststoff bedeckt. Unterhalb des metalli­ schen Verbindungssteges 2c sitzt folglich ein Verbindungssteg aus Kunststoff. Dieser Verbindungssteg aus Kunststoff bildet ei­ ne Membran 4. Zusätzlich sind die beiden Gabelzinken 2a, 2b an ihrer Anbindung an den Verbindungssteg 2c ebenfalls noch über einen Bruchteil ihrer Länge von Kunststoff umspritzt. Im übrigen schließt sich an das beschriebene Kunststoffteil einstückig und entgegengesetzt zur Schwinggabel 2 ein topfförmiger Prozeßan­ schlußstutzen 8 an.

Dieser vorzugsweise thermoplastische Kunststoff wird mit einem Spritzgußverfahren aufgebracht. Je nach Anwendungsfall kann die­ ser thermoplastische Kunststoff ein Polyphenylensulfid (PPS), oder aber, für den Einsatz im Lebensmittelbereich ein chemisch inertes Fluorpolymer sein, z. B. Polyvenylidenfluorid (PVDF). Der weitaus größte Teil der Gabelzinken 2a, 2b der Schwinggabel 2 weist keine Kunststoffummantelung auf. Dadurch sind die vom Me­ tall bekannten Schwingeigenschaften sowie die gute mechanische Stabilität trotz der Verwendung eines einfachen Materials für das Metallprofil vorhanden.

Auf der den Gabelzinken 2a, 2b abgewandten Seite des Verbin­ dungsstegs 2c des Metallprofils ist ein Zugbolzen 3 angebracht, der bevorzugt an dem Verbindungssteg 2c angeschweißt ist. Dieser Zugbolzen 3 wird vor dem Umspritzen an dem Metallprofil in einem Membranzentrum in geeigneter Weise befestigt, z. B. ange­ schweißt.

Ein Druckstück 5 nimmt mit seiner zentrischen Bohrung diesen Zugbolzen 3 auf. Des weiteren weist dieses Druckstück 5 zwei den Verbindungssteg 2c des Metallprofils berührende Stützfüße 15 auf, die in der Nähe der beiden Knicklinien des Metallprofils an diesem aufliegen.

Da der mittlere Teil der Innenseite der Membran 4 im Bereich der Stützfüße 15 und des Zugbolzens 3 nicht mit Kunststoff umspritzt ist, liegen die Stützfüße 15 direkt auf dem Metallprofil auf.

Auf der der Schwinggabel 2 abgewandten Seite des Druckstücks 5 ist ein Wandler 6 angeordnet, der bevorzugt ein piezoelektri­ scher Wandler 6 ist. Dieser piezoelektrische Wandler 6 umgibt ringförmig den Zugbolzen 3 und liegt auf dem Druckstück 5 kraft­ schlüssig auf.

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

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

Der piezoelektische Wandler 6 wird über eine Elektronik 10, die von einem Elektronikgehäuse 9 umgeben ist, in der Resonanzfrequenz der Stimmgabel 2 erregt und überträgt so seine pulsierende axiale Ausdehnung über die Mutter 14 auf den Zugbolzen 3 und in­ folgedessen auch auf den mittleren Knotenpunkt des Metallprofils 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 2.

Diese gegenseitigen bzw. gegensinnigen Schwingungen werden von einem die Schwinggabel 2 berührenden Füllgut beeinflußt. Dabei hat es sich zur Füllstandmessung von Schüttgütern als vorteil­ haft gezeigt, zur Erfassung bzw. Detektion der Füllhöhe von die­ sem 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 ei­ ner Antriebsaufnahme 7 angeordnet, an welcher sich in einer der Schwinggabel 2 entgegengesetzten Richtung ein Prozeßanschluß 8 anschließt, der bevorzugt ein Einschraubgewinde und einen Sechs­ kant aufweist.

Diesem Prozeßanschluß 8 ist das Elektronikgehäuse 9 nachgeschal­ tet, das die bereits oben genannte Elektronik 10 aufnimmt. Die für den Betrieb der Füllstandmeßvorrichtung notwendige Anbindung an externe Geräte erfolgt durch einen Deckel 12, der das Elek­ tronikgehäuse 9 über eine Dichtung 11 verschließt. 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 mehreren Teilen zusammengefügt werden kann, ist es nicht nur aus Gründen einer besseren Abdichtung gegenüber evtl. eintretende Fremdkör­ per, sondern auch noch aus Preisgründen vorteilhaft, wenn die Ummantelung des Metallprofils der Schwinggabel 2, die Antrieb­ saufnahme 7, der Prozeßanschluß 8 sowie das Elektronikgehäuse 9 aus einem einstückig hergestellten Kunststoffteil bestehen.

Diese mit einem einstückigen Gehäuse versehene Füllstandmeßvor­ richtung ist dann besonders zur Füllstandmessung von Lebensmit­ teln geeignet, wobei bevorzugt als Kunststoff ein chemisch in­ tertes Fluorpolymer, z. B. PVDF verwandt wird. Ferner ist es da­ bei zweckmäßig, die Schwinggabel 2 und den Prozeßanschluß 8 so zu gestalten, daß sich keine "Schmutznester" bilden können. Die Schwinggabel 2 und der Prozeßanschluß 8 müssen also chemisch sauber und mit sehr glatten Oberflächen ausgebildet sein. Zweck­ mäßigerweise werden auch noch geringe Radien vermieden.

Um diese glatten Außenflächen an der Schwinggabel 2 zu errei­ chen, kann beispielsweise eine Kunststoffform, in der der Be­ reich des Verbindungssteges 2c bzw. 4 der Schwinggabel 2 und ggf. auch noch die übrigen Gehäuseteile gespritzt werden, innen poliert sein.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Füllstand­ meßvorrichtung gezeigt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1 fehlt der metallische Verbindungssteg 2c. Vielmehr werden zwei separate Gabelzinken 2a und 2b in dem die Membran 4 beinhaltenden Kunststoffteil gehalten. Der aus Fig. 1 bekannte Stützfuß 15 und der Zugbolzen 3 stehen jetzt direkt mit der Oberseite der Membran 4 in Verbindung.

Die übrigen Bestandteile dieses Ausführungsbeispiels entsprechen denjenigen, die bereits anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 oben ausführlich beschrieben sind.

Bezugszeichenliste

2

Schwinggabel

2

a,

2

b Gabelzinken

2

c Verbindungssteg

3

Zugbolzen

4

Membran, Verbindungssteg

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

)

Claims (19)

1. Füllstandmeßvorrichtung mit einer Schwinggabel (2) und einem Wandler (6) zum Schwingungsantreiben und zum Erfassen der Antwort der Schwinggabel (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Schwing­ gabel (2) aus einem U-förmigen Metallprofil gebildete Gabel­ zinken (2a, 2b) aufweist, welche an ihrem dem distalen Ende abgewandten Ende von einem angespritzten Kunststoffteil, das einstückig in einen topfförmigen Prozeßanschlußstutzen (8) übergeht, gehalten sind.

2. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunst­ stoffteil einen zwischen den Gabelzinken (2a, 2b) liegenden Verbindungssteg (4) aufweist.

3. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwing­ gabel (2) aus einem mindestens annähernd U-förmig gebogenen Metallprofil gebildet ist, daß auf dem Verbindungssteg (4) aus Kunststoff ein Verbindungssteg (2c) des U-förmigen Metallpro­ fils aufsitzt und daß sich vom metallischen Verbindungssteg (2c) die Gabelzinken (2a, 2b) wegerstrecken.

4. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ga­ belzinken (2a, 2b) der Schwinggabel (2) aus einem Federmetall bestehen.

5. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichet, daß das Metall­ profil der Gabelzinken (2a, 2b) der Schwinggabel (2) aus einem Flach- oder Strangprofil gebildet sind.

6. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwing­ gabel (2) mit Öffnungen der Lochungen versehen ist, die ebenfalls mit dem Kunststoff ausgefüllt sind.

7. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ver­ bindungssteg (2c; 4) zwischen den einzelnen Gabelzinken (2a, 2b) der Schwinggabel (2) ein Zugbolzen (3) mit seinem einen Ende aufsitzt, während das entgegengesetzte Ende des Zugbol­ zens (3) mit dem Wandler (6) verbunden ist.

8. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (3) an dem Verbindungssteg (2c) der Schwinggabel (2) ange­ schweißt ist.

9. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wandler (6) und dem Verbindungssteg (2c; 4) der Schwinggabel (2) ein Druckstück (5) angeordnet ist, das den Zugbolzen (3) umschließt.

10. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Verbindungssteg (2c; 4) der Schwinggabel (2) zugewandten Seite des Druckstückes (5) Stützfüße (15) angeordnet sind, die den Verbindungssteg (2c; 4) berühren.

11. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Stützfüße (15) nahe den beiden Kanten bzw. Knickpunkten zwischen dem Verbindungssteg (2c) und den Gabelzinken (2a, 2b) bzw. nahe den mit Kunststoff umgebenen Enden der se­ paraten Gabelzinken (2a, 2b) der Schwinggabel (2) angeordnet sind.

12. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfü­ ße (15) des Druckstückes (5) kraftschlüssig auf dem Ver­ bindungssteg (2c; 4) aufliegen.

13. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz­ füße (15) direkt auf der metallischen Oberfläche des Verbin­ dungssteges (2c) der Schwinggabel (2) aufliegen.

14. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) den Zugbolzen (3) ringförmig umgibt, mit seiner zur Schwinggabel (2) weisenden Oberfläche das Druckstück (5) be­ rührt und mittels einer auf den über den Wandler (6) hi­ nausragenden Teil des Zugbolzens (3) aufgeschraubten Mutter (14) gegenüber dem Druckstück (5) mit einer steuerbaren Vorspannkraft beaufschlagbar ist.

15. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schwinggabel (2) teilweise ummantelnde Kunststoff ein strö­ mungsgünstiges Profil aufweist.

16. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst­ stoff ein thermoplastischer Kunststoff ist.

17. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst­ stoff ein Polyphenylensulfid (PPS) ist.

18. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst­ stoff ein chemisch inertes Fluorpolymer, beispielsweise ein Polyvinylidenfluorid, ist.

19. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Um­ mantelung des Metallprofils der Schwinggabel (2), eine den Wandler (6) und diesem zugeordneten Teile umgebende Antriebsaufnahme (7), ein Prozeßanschluß (8) und ein Elektronikgehäuse (9) aus einem einstückigen Kunststoffteil bestehen.