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Die
Erfindung betrifft eine Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Für
die Bestimmung des Füllzustands eines Behälters
sind Vibrationsgrenzschalter bekannt, die eine im Behälterinneren
angebrachte Schwinggabel umfassen, die durch ein Erregerelement
zum Schwingen gebracht wird. Meist wird das beispielsweise als Piezoelement
ausgebildete Erregerelement so angesteuert, dass die Schwinggabel
in Resonanz schwingt. Je nachdem, ob und wie weit die Schwinggabel
von Luft oder dem Messmedium umgeben ist, ändert sich das
Schwingungsverhalten aufgrund der unterschiedlichen Dämpfung
in der Umgebung der Schwinggabel. Dies wird mit Hilfe einer Erfassungsschaltung
ausgewertet und so festgestellt, ob und zumindest über
die Länge der Schwinggabel wie tief die Schwinggabel in
das Messmedium eingetaucht ist.
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Üblicherweise
wird dann ein Schaltpunkt bei einer vorgegebenen Eintauchtiefe der
Schwinggabel gesetzt. Auf diese Weise erkennt der Grenzschalter, ob
eine vorgegebene Füllhöhe in dem Behälter
unter- bzw. überschritten ist.
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Aufgrund
des Messprinzips muss die Schwinggabel eines Vibrationsgrenzschalters
auf Höhe des zu überwachenden Grenzfüllstands
in einem Behälter montiert sein. Es existieren eine Reihe von
Konzepten, die Schwinggabel in das Medium einzubringen, beispielsweise
eine horizontale seitliche Montage oder eine vertikale Montage über
Seil- oder Rohrverlängerungen. Zur Befestigung werden sowohl
industrieübliche Gewinde als auch Flanschanschlüsse
verwendet. Ein Vibrationsgrenzschalter mit einer derartigen herkömmlichen
Montage ist etwa aus der
WO 2007/093197 A1 bekannt.
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Vibrationsgrenzschalter
werden nicht nur für Flüssigkeiten, sondern auch
für Schüttgüter eingesetzt. Diese dämpfen
ganz analog die Schwinggabel. Bei Einsatz in einem Schüttgutsilo
als Bedarfs- oder Leermelder muss der Vibrationsgrenzschalter weit unten
in dem Silo angeordnet werden, damit die Schwinggabel sich auf Höhe
des entsprechend der Aufgabe sehr niedrigen zu überwachenden
Grenzfüllstands befindet.
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Insbesondere
als Leergutmelder, aber auch als Bedarfsmelder ist die Schwinggabel
in den bekannten Anordnungen starken mechanischen Beanspruchungen
ausgesetzt, die zur Abnutzung bis hin zur Zerstörung des
Messsystems führen können. Diese Problematik verschärft
sich in großen Silos, die Höhen von 60 bis 80
Metern aufweisen können. Beispielsweise können
durch ausströmendes Schüttgut Zugkräfte
entstehen, die seilmontierte vertikale Gabeln abreißen.
Ebenso kann herabfallendes Schüttgut eine waagerecht montierte
Gabel zerstören.
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Ein
Schutz mittels Einhausungen oder Schutzblechen ist zum einen unvorteilhaft
für die Messaufgabe, weil der Schüttkegel beeinflusst
wird. Zum anderen erfordert dies aufwändige individuelle mechanische
Anpassungsarbeiten, die vor Ort bei dem Betreiber des Silos durchgeführt
werden müssen.
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Aus
allen den genannten Gründen werden anstelle von Vibrationsgrenzschalter
gerade als Leermelder oder Bedarfsmelder in vielen Anwendungen elektromechanische
Systeme wie Drehflügelmelder vorgezogen, die aber in sich
wieder höheren Verschleiß haben und damit Wartung
erforderlich machen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Grenzstandmelder nach dem
Vibrationsprinzip robuster auszubilden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
nach Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die erfindungsgemäße
Lösung von dem Prinzip aus, das Schwingelement gegenüber
mechanischen Belastungen durch das Messmedium zu schützen.
Beeinträchtigende Bewegungen des Messmediums können
ein Umströmen mit entsprechenden Zug- oder Sogbelastungen,
in erster Linie aber das Herabfallen beziehungsweise -strömen
des Messmediums sein.
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Die
erfindungsgemäße Lösung erhöht
die mechanische Belastbarkeit von Vibrationsgrenzschaltern und damit
die Lebensdauer und die Verfügbarkeit. Sie bietet eine
stan dardisierte Verbesserung der Robustheit ohne zusätzlichen
Montageaufwand für Schutzaufbauten und erweitert so mögliche
Einsatzgebiete von Vibrationsgrenzschaltern.
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Am
häufigsten wird die erfindungsgemäße Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
als Grenzschalter eingesetzt und ein Schaltpunkt festgelegt, um
zu erkennen, ob ein bestimmter Füllstand über-
oder unterschritten ist. Prinzipiell kann aber über die
Länge des Schwingungselements auch quantitativ der Füllstand
ausgewertet werden.
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Als
Messmedium sind in der Regel Flüssigkeiten oder Schüttgüter
vorgesehen, wobei als Referenz an der Grenzfläche Luft
dient. Das Messprinzip erkennt aber auch andere Grenzflächen
beispielsweise zwischen Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Wirkung
auf die Resonanz etwa durch verschiedene Dichte oder Viskosität.
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Der
Ausleger ist bevorzugt in Richtung einer Hauptachse langgestreckt
ausgebildet und weist an einem ersten Ende in Hauptachsenrichtung
eine Aufnahme für das Schwingelement auf. So wird die einfache
horizontale Montage in einer Seitenwand ermöglicht.
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Der
Ausleger weist besonders bevorzugt an dem ersten Ende einen Vorsprung
mit der Aufnahme auf. Damit wird das Schwingelement noch besser mechanisch
abgeschirmt.
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Der
Ausleger weist vorteilhafterweise an einem dem ersten Ende in Hauptachsenrichtung
gegenüberliegenden zweiten Ende einen Anschluss für Stromversorgung
und/oder Datenaustausch auf. Ist die Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
in einer Seitenwand montiert, so sind damit sämtliche Anschlüsse
leicht zugänglich und kommen nicht mit dem Messmedium in
Berührung. Für den Datenaustausch sind sämtliche
drahtgebundenen und drahtlosen Schnittstellen denkbar. Ebenso kann
die Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung drahtgebunden oder drahtlos,
etwa induktiv mit Energie versorgt werden, oder sie besitzt eine
eigene Energieversorgung in Form von Batterien oder Akkus. Es ist
also auch eine autarke Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
ohne drahtgebundenen Außenanschluss möglich.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Schwingelement im Wesentlichen
senkrecht zu der Hauptachse des Auslegers angeordnet, so dass das Schwingelement
bei horizontaler Montage des Auslegers im Wesentlichen vertikal
nach unten ausrichtbar ist.
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Bei
derartiger Montage schützt der Ausleger das Schwingelement
besonders wirkungsvoll vor herabströmender Flüssigkeit
oder herabfallendem Schüttgut.
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Der
Ausleger weist in einer bevorzugten Ausführungsform einen
geneigten Flansch zur Montage an einer geneigten Behälterwand
derart auf, dass trotz Neigung der Behälterwand der Ausleger
im Wesentlichen horizontal ausrichtbar ist. So kann die Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
in einem Behälter mit schrägen Wänden
besonders stabil angebracht werden. Das ist gerade bei den sich
typischerweise trichterförmig oder konisch verjüngenden
unteren Bereichen von Schüttgutsilos von Vorteil, wenn die
Vibrationsfüllstandsvorrichtung als Leermelder an deren
Auslauf eingesetzt wird. Die Neigung des Flansches entspricht vorteilhafterweise
dem Neigungswinkel des Silos im Bereich der Montage.
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Der
Flansch ist besonders bevorzugt in Hauptachsenrichtung zwischen
dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet. Nach der Montage
ist dann das zweite Ende mit dem Anschlussbereich von außen
zugänglich.
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Der
Ausleger weist bevorzugt eine Nut oder einen inneren Hohlraum auf,
in dem Verbindungsleitungen zwischen dem Schwingelement und dem
Anschluss angeordnet sind. Die Verbindungsleitungen verbinden natürlich
nicht das mechanische Schwingelement selbst, sondern dessen elektronische
Komponenten, also die Erregungseinheit und die Erfassungseinheit,
die gewöhnlich in direktem mechanischen Kontakt mit dem
Schwingelement stehen. Die Auswertungseinheit kann wahlweise bei
dem Schwingungselement, bei dem Außenanschluss, irgendwo
dazwischen oder auch ganz extern angeordnet sein. Auch Verbindungen
von und zu der Auswertungseinheit sind vorteilhafterweise in dieser
bevorzugten Ausführungsform in der Nut oder dem inneren Hohlraum
geschützt.
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Der
Ausleger weist bevorzugt eine Abwinklung auf, insbesondere in Höhe
des Flansches. Damit können Ablagerungen an der Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung
und vor allem deren Ausleger verringert werden. Das Schwingungselement
selbst bleibt dabei vorteilhafterweise im Wesentlichen vertikal
ausgerichtet, kompensiert also in seiner Anbringung an den Ausleger
die Abwinklung.
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Weiterhin
weist der Ausleger bevorzugt Verstrebungen zur erhöhten
mechanischen Stabilität auf. Eine erhöhte mechanische
Festigkeit ist besonders bei großen Silos mit entsprechenden
Belastungen bei hohen Füllständen von Vorteil.
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Der
Ausleger weist bevorzugt zusätzliche Schutzelemente auf,
um das Schwingelement zusätzlich vor herabströmendem
oder herabfallendem Messmedium zu schützen. Der Ausleger
kann beispielsweise in Höhe der Aufnahme für das
Schwingelement Schutzbleche oder dergleichen für eine größere
Fläche umfassen, um das Schwingelement noch besser mechanisch
abzuschirmen.
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Das
Schwingelement ist bevorzugt als Gabel mit zwei schwingfähigen
Zinken oder Platten ausgebildet. Eine solche Schwinggabel ist zur
Erzeugung und Erfassung von auswertbaren Schwingungen besonders
geeignet.
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Die
Erregungseinheit und/oder die Erfassungseinheit weist vorteilhafterweise
mindestens ein insbesondere gemeinsames Piezoelement auf. So lässt
sich die Schwingung präzise und auf einfache Weise in ein
mechanisches Signal umwandeln und umgekehrt.
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Das
Schwingelement ist bevorzugt austauschbar und weist insbesondere
eine Klemmverbindung oder eine Schraubverbindung mit dem Ausleger
auf. Sollte das Schwingelement trotz des zusätzlichen Schutzes
des Auslegers beschädigt werden, kann es so auf einfache
Weise ersetzt werden. Mit dem Schwingelement kann auch ein zugehöriges Piezoelement
ausgetauscht werden.
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In
einer besonders bevorzugten Anwendung ist eine Anordnung aus einem
Behälter, insbesondere einem Silo für Schüttgüter,
mit einer insbesondere in einem mittleren oder unteren Bereich des
Behälters montierten erfindungsgemäßen
Vibrationsmessvorrichtung vorgesehen, wobei der Ausleger in im Wesentlichen
horizontaler Ausrichtung an einer Seitenwand des Behälters
montiert ist, so dass das Schwingelement im Wesentlichen vertikal
nach unten ausgerichtet und so von dem Ausleger nach oben hin geschützt
ist. In dieser Anordnung kommen die beschriebenen Vorteile besonders
gut zum Tragen.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und
Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die
Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung;
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung gemäß 1 einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung mit abgewinkeltem Ausleger;
und
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer beispielhaften Montage
einer erfindungsgemäßen Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung als
Leermelder in einem Schüttgutsilo.
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1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung 10 im Querschnitt.
Ein als Schwinggabel 12 ausgebildetes Schwingelement mit
zwei Zinken 14, auch als Platten oder Paddel bezeichnet, weist
ein oder mehrere Piezoelemente 16 in Schwingung auf. Das
Piezoelement 16 ist mit einer Erreger- und Erfassungsschaltung 18 verbunden.
Eine Verbindungsleitung 20 führt von der Erreger-
und Erfassungsschaltung 18 zu einer Auswertungseinheit 22. Die
Auswertungseinheit ist mit einem Außenanschluss 24 für
Datenaustausch beziehungsweise Energieversorgung verbunden.
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Das
mechanische Grundgerüst der Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung 10 bildet
ein langgestreckter Ausleger 26 vorzugsweise aus Metall
oder einem mechanisch stabilen Kunststoff. Der Ausleger 26 weist
ein erstes Ende 28 mit einem Vorsprung 30 zur
Aufnahme der Schwinggabel 12 und ein gegenüberliegendes
zweites Ende 32 mit der Auswertungseinheit 22 und
dem Außenanschluss 24 auf. Die Verbindung zwischen
Schwinggabel 12 und der Aufnahme in dem Vorsprung 30 des
Auslegers 26 kann für den Austausch von Schwinggabel 12 und
gegebenenfalls Piezoelement 16 lösbar ausgebildet
sein, beispielsweise durch eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung.
Zwischen dem ersten Ende 28 und dem zweiten Ende 32 ist
ein geneigter Flansch 34 zur Montage der Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung 10 an
einer Behälterwand vorgesehen. Der Flansch kann in anderen
Ausführungsformen auch vertikal ausgerichtet oder ganz
weggelassen sein.
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Die
Verbindungsleitung 22 ist in der dargestellten Ausführungsform
in einem inneren Hohlraum des Auslegers vorgesehen, kann aber auch
alternativ in einer Nut außen am Ausleger geführt
sein.
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Die
Schwinggabel 12 ist vertikal zur Längserstreckung
des Auslegers 26 ausgerichtet. Sie wird von der Erreger-
und Erfassungsschaltung 18 mittels des Piezoelements 16 in
Schwingungen versetzt, während umgekehrt über
das Piezoelement 16 das Schwingungsverhalten von der Erreger-
und Erfassungsschaltung 18 erfasst wird. Die Resonanzfrequenz
der Schwinggabel 12 ist abhängig von dem umgebenden
Medium und deshalb ein Maß für den Füllstand
oder Grenzstand, ob und im Rahmen der Abmessungen der Zinken 14 auch
inwieweit die Schwinggabel 12 in ein Messmedium eingetaucht
ist. Selbstverständlich sind andere Schwingungselemente
und andere Erreger bzw. Erfassungen von der Erfindung umfasst. So
kann die Zahl der Zinken 14 variiert und auch anstelle
einer Gabel ein einzelner Stab oder mehrere Stäbe eingesetzt
werden. Auch andere Maße als die Resonanzfrequenz können
herangezogen werden, beispielsweise die Amplitude oder die Energieaufnahme.
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Die
Auswertungseinheit 22 steuert die Erreger- und Erfassungsschaltung 18 an,
um über das Piezoelement 16 die Schwinggabel 12 anzuregen,
und empfängt umgekehrt von der Erreger- und Erfassungsschaltung 18 ein
Erfassungssignal über das Schwingungsverhalten der Schwinggabel 12.
Aus dem Erfassungssignal bestimmt die Auswertungseinheit 22 die
Eintauchtiefe der Schwinggabel 12 in ein Messmedium. Dieser
Wert kann als solcher ausgegeben oder mit einem Schaltpunkt verglichen
werden. Messwerte oder Schaltsignale stehen dann an dem Außenanschluss 24 zur
Verfügung.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hier wie im
Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Merkmale.
Im Unterschied zu der Ausführungsform der 1 ist hier
das erste Ende 28 des Auslegers 26 gegenüber dem
zweiten Ende 32 abgewinkelt. Die Schwinggabel 12 bleibt
trotz der Abwinklung vertikal ausgerichtet. Wegen der entstehenden
Abwärtsneigung des Auslegers 26 im Kontaktbereich
mit dem Messmedium oder Schüttgut können Ablagerungen
an dem Ausleger 26 verringert werden. Weiterhin weist der Ausleger 26 zusätzliche
Verstrebungen 36 auf, um die mechanische Stabilität
zu verstärken und dem Messmedium geglättete Kanten
zu bieten. Der Ausleger 26 beziehungsweise die Verstrebungen 36 können
zusätzlich beschichtet sein, etwa mit einem schmutzabweisenden
Material wie Teflon oder einem ähnlichen Material.
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3 zeigt
eine beispielhafte Anwendung der Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung 10 bei
Montage in einem Silo 38. Der Füllstand des Messmediums 40 ist
mit einer Wellenlinie an der Grenzfläche 42 angedeutet.
Die Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung 10 würde
in dieser Anwendung erst schalten, wenn die Grenzfläche 42 so
weit absinkt, dass die Schwinggabel 12 nicht mehr oder
zumindest nur noch teilweise von dem Messmedium 40 umgeben ist.
Bei Schüttgut entsteht statt einer im Wesentlichen horizontalen
Grenzfläche 42 häufig ein Schüttkegel.
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Der
Flansch 34 ist in seiner Neigung an die sich verjüngende
Wand 44 des Silos 38 angepasst und kann außen
oder innen an der Wand 44 befestigt werden. Durch den Flansch 34 wird
die horizontale Ausrichtung des Auslegers 26 zusätzlich
stabilisiert.
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Wegen
der vertikalen Ausrichtung der Schwinggabel 12 an dem horizontal
montierten Ausleger 26 wird die Schwinggabel 12 mechanisch
geschützt. Die Vibrationsfüllstandsmessvorrichtung 10 ist
damit robust gegenüber großem Druck durch eine hohe
Schüttgutsäule und gegenüber herabfallendem Schüttgut,
benötigt daher seltener eine Wartung und erreicht eine
längere Lebensdauer.
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Obwohl
die Erfindung anhand der Figuren in einzelnen Ausführungsformen
beschrieben ist, lassen sich die Merkmale auch anders kombinieren. Beispielsweise
kann auch die Ausführungsform gemäß 1 mit
geradem Ausleger 26 durch Verstrebungen geschützt
sein oder mit Teflon beschichtet werden wie in der Ausführungsform
gemäß 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/093197
A1 [0004]