DE2844143C2

DE2844143C2 - Flüssigkeitspegel-Meßgerät

Info

Publication number: DE2844143C2
Application number: DE2844143A
Authority: DE
Inventors: Roger Martin Sible Hedingham Essex Langdon
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1978-08-09
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1986-04-17
Also published as: GB2027539B; DE2857924C2; FR2435707B1; FR2435707A1; US4240285A; GB2027539A; DE2844143A1

Description

dadurch gekennzeichnet,

d) ein zweiter Erreger (5; 9,10; 20,21) vorgesehen ist, der das in eine Flüssigkeit eingetauchte Fühlerelemem % 7; 12, 16; 24, 25) zu Torsionsschwingungen anregt, deren Frequenz durch eine zweite von einem zweiten Meßwertgeber (6; 14, 15; 22, 23) beaufschlagte Steuerschaltung (31, 32, 34) auf die von der Dichte der Flüssigkeit abhängige Resonanzfrequenz abstimmbar ist;

e) die zweite Steuerschaltung (31, 32, 34) ein der jeweiligen Resonanzfrequenz entsprechendes Ausgangssignal an die Auswerteschaltung (33, 37) abgibt,

f) das von der ersten Steuerschaltung (35, 36, 38) abgegebene Ausgangrsignal ^%;r jeweiligen von der Dichte und vom Pegelstand abhängigen Resonanzfrequenz der vom erste· Erreger (3; 17) erzeugten mechanischen Biegeschwingung entspricht, und

g) die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Steuerschaltung (35,36,38) bzw. (31,32,34) von der Auswerteschaltung (33,37) in eine absolute Pegelstandsanzeige umsetzbar sind.

2. Flüssigkeitspegel-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerschaltung (31, 32, 34) einen Phasendetektor (32) umfaßt, an den ein den zweiten Erreger (5; 9, 10; 20, 21) beaufschlagendes Ausgangssignal der zweiten Steuerschaltung (31,32,34) sowie ein Ausgangssignal des zweiten Meßwertgebers (6; 14, 15; 22, 23) angelegt ist.

3. Flüssigkeitspegel-Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekonnzeichnet, daß das Fühlerelement von einem Stab (2; 12; 24) gebildet wird, an dessen in eine Flüssigkeit eintauchbaren Ende ein Rührer (7; 16; 25) angebracht ist.

4. Flüssigkeitspegel-Meßgerät nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Erreger (3, 5; 17, 19;20,21) und die Meßwengeber (4,6; 18,14,15; 22, 23) im Bereich des vom Rührer (7; 16; 25) abgewandten Ende des Stabes (2; 12; 24) befestigt sind.

5. FlüssigkeitspegeUlyleßgerät nach einem der !vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Erreger und zweite Meßwertgeber wirkende piezoelektrische keramische Übertrager (20, 21, 22, 23) an sich senkrecht zum Stab (24) erstreckenden Speichen einer rädförmigen Scheibe (19) angebracht sind, an deren Nabe der Stab (24) befestigt ist.

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitspegel-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 20 12 475 ist ein Füllstands-Fühler bekannt, der einen zu Schwingungen anregbaren Tastkörper, wie z. B. einen Rotor oder ein Paddel, aufweist, dessen Schwingung von einem Impulsgeber überwacht wird So lange der Tastkörper sich über einer Flüssigkeitsoberfläche befindet, schwingt er mit konstanter Frequenz. Bei einem Anstieg des Flüssigkeitspegels

ίο taucht der Tastkörper etwas in die Flüssigkeit ein und wird dabei gebremst Durch Registrierung dieser Bremswirkung kann festgestellt werden, ob die Flüssigkeit eine bestimmte vorgegebene Füllhöhe erreicht hat. Eins Anzeige wechselnder Flüssigkeitsstände ist jedoch niche möglich.

Weiter ist aus der Zeitschrift Steuerungstechnik 5 (1972) Nr. 3 Seiten 60 bis 62 ein Stimmgabelgrenzschalter zur Füllstandsbestimmung bekannt, der insbesondere für pulverförmige und feinkörnige Schüttgüter vor-

gesehen ist. Diese bekannte Vorrichtung weist eine mitteis eines piezoelektrischen Elements in Schwingungen versetzbare Stimmgabel auf, die Schwingungen auf ein zweites piezoelektrisches Element überträgt, das ein elektrisches Wechselsignal abgibt Dieses Wechselsignal wird verstärkt und dem ersten piezoelektrischen Element zur Erregung der Schwingungen der Stimmgabel sowie einem Schwellwertdiskriminator zugeführt.

Taucht die als Fühlerelement dienende Stimmgabel in das Schüttgut ein, so wird die Amplitude der Schwin-

gungen der Stimmgabel verringert, wodurch auch das an den Schwellwertdiskriminator angelegte Signal absinkt und dieser anspricht. Auch diese bekannte Vorrichtung kann somit nur ein ja/nein-Signal liefern, wenn das Füllgut eine bestimmte Füllhöhe erreicht hat.

Aus der DE-OS 21 44 770 ist weiter eine Vorrichtung zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe eines schwingenden Systems bekannt, wobei die Masse sowie insbesondere die Dichte von Werkstoffen gemessen werden sollen. Zur !,'!•jssung dieser

Größen wird eine an einem flexiblen Element angeordnete Schaufel, die in das Untersuchungsmaterial eintaucht, einerseits quer zur Schaufelebene und andererseits parallel zur Schaufelebene zu Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt Die Schwingungsrichtungen sind hierbei so gewählt, daß der Kontakt des Untersuchungsmaterials mit der Querschnittsfläche der Schaufel in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich groß ist und das Untersuchungsmateriul d<:n Schwingungen der Schaufel je nach Schwingungsrichtung einen unterschiedlichen Widerstand entgegensetzt.

Die Resonanzfrequenz der Schwingungen senkrecht zur Schaufelebene ist ein Maß für die Masse, die Dichte oder auch, je nach Eichung, für die Viskosität des Untersuchungsmaterials. Auf die Resonanzfrequenz der Schwingungen parallel zur Schaufelebene hat das Untersuchungsmaterial nur einen ganz geringen und vernachlässigbaren Einfluß. Die Messung dieser letzteren Resonanzfrequenz dient dazu, Veränderungen zu be-

rücksichtigen, die aufgrund von Korrosion oder derglei- t chen an der Meßvorrichtung auftreten können.

Schließlich ist in der AT-PS 1 96 646 eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung beschrieben, die einen zu Longitudinal-, Torsions- oder Scherschwingungen erregba-

ren Körper aufweist, der in eine zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht wird. Die Schwingungen des Körpers werden aufgrund der Scherwirkung zwischen dem Körper und der umgebenden Flüssigkeit unterschied-

lieh gedämpft, wobei die Dämpfung ein Maß für die Zähigkeit der Flüssigkeit ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Flüssigkeitspegel-Meßgerät zu schaffen, das bei ortsfester Installation unterschiedliche Pegelstände anzeigen kann, wobei der Einfluß der Flüssigkeitsdichte beseitigt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Erfindungsgemäß wird von der ersten Steuerschaltung ein der Resonanzfrequenz der Biegeschwingungen entsprechendes Signal an die Auswerteschaltung abgegeben. Dieses Signal hängt wie die Resonanzfrequenz zum einen von der Eintauchtiefe des Fühlerelements in die Flüssigkeit und zum anderen von der Dichte der Flüssigkeit ab. Die erfindungsgemäß vorgesehene zweite Vorrichtung zur Erzeugung von Torsionsschwingungen des Fühlerelements, deren Resonanzfrequenz von der Dichte der Flüssigkeit und nicht von der Eintauchtiefe abhängt, liefert ein der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingungen und damit ein der Flüssigkeitsdichte entsprechendes Signal an die Auswerteschaltung. In der Auswerteschaltung werden dann die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Steuerschaltung so verarbeitet, daß eine absolute Pegelstandsanzeige vorliegt.

Das erfindungsgemäße Fiüssigkeitspegel-Meßgerät ermöglicht es also den Pegelstand verschiedener Flüssigkeiten mit verschiedenen Dichten jeweils sehr genau anzugeben.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt wählt.

Eine ähnliche Schaltung ist an den Erreger 3 und den Meßwertgeber 4 gekoppelt, um auf diese Weise im Stab 2 und im Rührer 7 Resonanz-Biegeschwingungen zu erzeugen. In diesem Fall ist ein veränderbarer Oszillator 35 so angeordnet, daß er den Erreger 3 und einen Phdsendetektor 36 speist Ein anderer Eingang des Phasendetektors 36 wird vom Meßwertgeber 4 gespeist Das Ausgangssignal des Phasendetektors 36 wird über einen Verstärker 38 mit hoher Verstärkung dem veränderbaren Oszillator 35 zugeführt, um dessen Oszillationsfrequenz zu steuern. Das Ausgangssignal des Oszillators 35 und ein Ausgangssignal des Dichteindikators 33 speisen einen Pegelanzeiger 37.

Die Rotationsachse des Rührers 7, der in Teil b von Fig. 1 in Draufsicht wiedergegeben ist, ist so angeordnet, daß sie mit der Achse des Stabes 2 zusammenfällt Der Röhrer 7 kann die Form eines Rades besitzen und in dargestellter Weise vier RührbI5**er besitzen, obwohl gegebenenfalls auch jede andere Anzahl von Rührblättern vorgesehen werden kann. Die Erreger 3,5 die Meßwertgeber 4,6 können vom piezoelektrischen oder elek · tromagnetischen Typ sein und das Anlegen einer sinusförmigen Spannung an den Erreger 5 vom Oszillator 31 her erzeugt eine Torsionsschwingung im Stab 2 und im Rührer 7 mit der angelegten Frequenz. Der Meßwertgeber 6, der am Stab 2 befestigt ist, erzeugt ein Ausgangssignal, das der Amplitude der Torsions-Schwingung des Stabes 2 proportional ist. Er kann eine Ausgangsspannung erzeugen, die der Winkelverschiebung, der Winkelgeschwindigkeit oder der Winkelbeschleunigung des Stabes 2 um seine Achse herum proportional ist, je nach seiner Beschaffenheit Das Anlegen einer sinusförmigen Spannung mit konstanter Amplitude und

Fig. 1 in schematischer Weise ein Flüssigkeitspegel- 35 veränderlicher Frequenz an den Erreger 5 hat zur Folge, Meßgerät und daß der Stab 2 und der Rührer 7 bei gewissen Frequen-

F ig. 2 und 3 Abwandlungen dieses Meßgeräts. zen, die kennzeichnend für die Abmessungen und die

Teil a von F i g. 1 zeigt ein Flüssigkeitspegel-Meßge- Materialien dieser Bestandteile sind, einen Torsions-Rerät, das r der Lage ist, die Dichte einer Flüssigkeit und sonanzzustand aufweisen; insbesondere ist die Resoden Pegel einer Flüssigkeit anzuzeigen, in die es teilwei- 40 ranzfrequenz vom Trägheitsmoment des Rührers 7 abse eingetaucht ist. Ein runder, langgestreckter aus Glas hängig, das teilweise von der Dichte der Flüssigkeit abbestehender Stab 2 ist an einem relativ massiven Körper
1 befestigt, der ausreichend groß ist, so daß er sich in
Folge von im Stab 1 induzierten Biege- und Torsionsbewegung-in nicht wesentlich bewegt Ein Erreger 5 ist am 45
Stab 2 befestigt und dient dazu, im Stab 2 Torsionsschwingungen zu induzieren. Ein Meßwertgeber 6, der
in der Praxis dem Erreger 5 ähnlich ist, ist so angeordnet, daß er das Vorhandensein dieser Torsionsschwingungen erfaßt und mißt. Weiterhin sind ein Erreger 3 50 erzeugten Ausgangsspannung bewirkt. Die vorgesehe- und ein Meßwertgeber 4 am Stab 2 befestigt und so ne Rückkopplungsschaltung, die den Phasendetektor 32 angeordnet, daß er im Stab 2 Biegeschwingungen erzeugt bzw. deren Vorhandensein erfaßt. Ein vier Blätter
besitzender, aus Glas bestehender Rührer ist am unteren Ende des Stabes 2 befestigt. 55

Ein veränderlicher Oszillator 31 ist an den Erreger 5
und einen Dichteanzeiger 33 gekoppelt und speist überdies einen Phasendetektor 32. Der Ausgang des Meßwertgebers 6 ist an einen zweiten Eingang des Phasendelektors 32 gekoppelt. Das Ausgangssignal des Pha- 60 ständig in die Flüssigkeit eintaucht, deren Dichte gemes- ;sendetektors 32 wird über einen Verstärker 34 mit ho- isen werden soll. In Fig. 1 wird die Oberfläche dieser hem Gewinn an den Eingang des veränderbaren Oszilla- Flüssigkeit durch die Linie 39 wiedergegeben. Die Tortors 31 gelegt, um auf diese Weise dessen Oszillation- sions-Resonanzfrequenz ist eine Funktion des Trägfrequenz zu steuern. Mit Hilfe dieser Rückkopplungs- heitsmomentes des Rührers 7 und der tatsächliche Wert schaltungsanordnung wird die Frequenz des veränder- 65 dieses Trägheitsmomentes wird durch die auf die Blätter baren Oszillators 31 s-7eingestellt, daß ein Torsions-Re- des Rührers 7 einwirkende Reaktionskraft der Flüssigsonanzzustand im Stab 2 und im Rührer 7 erzeugt wird. keit erhöht. Da diese Reaktionskraft näherungsweise Im allgemeinen wird der Gfund-Resonanzzustand ge- zur Dichte der Flüssigkeit proportional ist, ändert sich

hängt, in die der Rührer 7 eingetaucht ist Typischerweise tritt der Grund-Resonanzzustand bei einer Frequenz von einigen Kilohertz auf.

Stellt man die Oszillationsfrequenz des veränderlichen Oszillators 31 so ein, daß sie durch eine Resonanzfrequenz hindurchläuft, so hat dies ein starkes Anwachsen der Amplitude der Torsions-Schwingung zur Folge, was ein starkes Anwachsen der vom Meßwertgeber 6

umfaßt, stellt die Oszillatorfrequenz auf einen Wert ein, für den die vom Meßwertgeber 6 abgegebene Ausgangsspannung ein Maximum besitzt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, schwingen der Stab 2 und der Rührer 7 bei einer Resonanzfrequenz. Im Betrieb ist die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung mit Hilfe einer nicht dargestellten, a.i Körper 1 befestigten Tragvorrichtung so in einer festen Lage montiert, daß der Rührer 7 voll-

die Resonanzfrequenz bei Änderungen der Flüssigkeitsdichte gegenläufig.

Somit ist der Dichteanzeiger 33 so angeordnet, daß er die an ihn angelegte Frequenz mißt; er wird dadurch geeicht, daß man Flüssigkeiten bekannter Dichte verwendet und aus einer Messung der an sie angelegten Frequenz zu einer Anzeige für die Dichte dieser Flüssigkeit kommt.

Die Messung der Dichte mit Hilfe der Torsions-Schwingung wird durch Änderungen des Flüssigkeitspegels 39 nicht beeinflußt, solange der Rührer 7 vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist und solange der Flüssigkeitsstand nicht so hoch ist, daß er den Betrieb der Erreger 3,5 und der Meßwertgeber 5,6 in negativer Weise beeinflußt.

Um den Flüssigkeitspegel 39 zu bestimmen, wird die Frequenz des den Erreger 3 speisenden veränderlichen ösziiiators 35 geändert, während die elektrische Amplitude konstant gehalten wird. Der Stab 2 zeigt bei bestimmten spezifischen Frequenzen Biege-Resonanzzustände und in Resonanz tritt ein starkes Anwachsen der Amplitude der Biegeschwingungen auf, wodurch ein starkes Anwachsen des vom Meßwertgeber 4 erhaltenen elektrischen Ausgangssignals erzeugt wird. Die in F i g. 1 dargestellte Rückkopplungsschaltung ist so angeordnet, daß sie die Frequenz des veränderbaren Oszillators 35 auf einen Wert einstellt, bei dem sich ein maximales Ausgangssignal des Meßwertgebers 4 ergibt, d. h. auf eine Biege-Resonanzfrequenz des Stabes 2.

Die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung hängt davon ab. wie weit der Stab 2 in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Dieser Effekt stammt von der Änderung der Biegewellen-Geschwindigkeit, die durch die Einwirkung der Flüssigkeit auf den Stab 2 verursacht wird.

Wenn die Vorrichtung in einer festen Lage gehalten wird, während sich der Flüssigkeitspegel 39 ändert, so ändert sich die Frequenz in einem Maß, das vom Pegel der Flüssigkeit und der Dichte der Flüssigkeit abhängt. Dadurch, daß man die vom Dichteanzeiger 33 gewonnenen Dichte-Meßwerte verwendet, kann mit Hilfe des Pegelanzeigers 37 eine wahre Anzeige für den Flüssigkeitspegel erhalten werden.

Eine Abwandlungsform der beschriebenen Vorrichtung ist in F i g. 2 dargestellt, in der jedoch die Einzelheiten der Steuer- und Rückkopplungsschaltungen weggelassen wurden, da sie den in F i g. 1 dargestellten Schaltungen entsprechen. In F i g. 2 ist am unteren Ende eines Glasrohres 12 ein vierbläuriger Glasrührer 16 befestigt, während das andere obere Ende des Giasrohres mit Hilfe eines Epoxyhaizes in einem Metallblock 8 befestigt ist Piezoelektrische Keramikplatten 9 und 10 sind an einer gemeinsamen Oberfläche des Blocks 8 in der dargestellten Weise befestigt und die anderen Oberflächen der Platten 9 und 10 sind an einer flachen Oberfläche befestigt, die innerhalb eines rechtwinkligen Schiitzes ausgebildet ist, der in einen relativ massiven kreisförmigen Metallblock 11 eingeschnitten ist, wie dies in Teil a von F i g. 2 dargestellt ist Der Block 11 ist hinreichend groß, so daß sein Trägheitsmoment um die Achse des Rohres 12 wesentlich größer ist, als das Trägheitsmoment des vibrierenden Teils der Anordnung, der vom Rohr 12 und dem Rührer 16 gebildet wird. Dies ermöglicht es, den Block 11 an einer Tragvorrichtung zu befestigen, ohne die Frequenz der Torsions-Schwingung merklich zu beeinflussen.

Die als Erreger der Torsionsschwingung wirkenden piezoelektrischen Übertrager 9 und 10 sind so gepolt daß das Anlegen einer Spannung zwischen den Blöcken 8 und 11 zur Folge hat, daß sich der Übertrager 9 hinsichtlich seiner Dicke zusammenzieht und daß sich der Übertrager 10 ausdehnt. Dies hat eine Drehung des Rohres 12 um seine Achse zur Folge und das Anlegen einer sinusförmigen Spannung zwischen den Blöcken 8 und 11 bewirkt, daß im Rohr 12 und dem Rührer 16 eine Torsionsschwingung erzeugt wird. In der Praxis würde diese Torsionsschwingung durch einen Oszillator erzeugt werden, beispielsweise durch den Oszillator 31 aus Fig. 1. Die Amplitude der Torsions-Schwingung wird durch piezoelektrische, keramische Meßwertgeber 14 und 15 gemessen, die an den Endflächen eines weiteren Metallblocks 13 befestigt sind, der starr am Glasrohr 12 montiert ist. Die Form des Blocks 13 ist in Teil b der F i g. 2 in der Draufsicht wiedergegeben. Der Block 13 ist am Rohr 12 mit Hilfe eines Epoxyharzes befestigt und hat vom Block 8 einen Abstand, der ungefähr gleich einem Vierte! der Länge des Rohres 12 ist. An den freien Oberflächen der Meßwertgeber 14 und 15 sind Elektroden befestigt, die miteinander verbunden sind. Die Meßwertgeber 14,15 sind so gepolt, daß an den Elektroden eine Spannung erzeugt wird, die proportional zur Winkelbeschleunigung des Rohres 12 ist. Somit liefern die Meßwertgeber 14 und 15 eine Ausgangsspannung, die proportional zur Amplitude der Torsions-Schwingung des Rohres 12 ist. Das Ausgangssignal der Meßwertgeber 14 und s5 wird in ähnlicher Weise wie das Ausgangssignal des in Fig. 1 wiedergegebenen Meßwertgebers 6 verwendet, um die Frequenz eines Oszillators in der Weise zu steuern, daß im Rohr 12 eine Torsion.s-Resonanzfrequenz erzeugt wird. Des Eintauchen des Rührers 16 in eine Flüssigkeit hat zur Folge, daß sich die Torsions-Resonanzfrequenz um einen Betrag ändert, der von der Dichte der Flüssigkeit abhängt.

Damit der Pegel einer Flüssigkeit gemessen werden kann, sind piezoelektrische Keramik-Übertrager als Erreger 17 und Meßwertgeber 18 am Rohr 12 in einer Weise befestigt, die der in Fig. 1 dargestellten Befestigung des Erregers 3 und des Meßwertgebers 4 entspricht.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig.3 dargestellt, in der ein Glasrohr 24 mit seinem unteren Ende an einem aus Glas bestehenden und Rührblätter besitzenden Rührer 25 und mit seinem oberen Ende im Zentrum einer Aluminiumscheibe 19 befestigt ist. Die Scheibe 19 besitzt in der dargestellten Weise die Form eines Rades mit vier Speichen und piezoelektrische keramische Übertrager 20, 21, 22 und 23 sind an den flachen Oberflächen der Speichen mit einem elektrisch leitenden Epoxyharz befestigt Die piezoelektrischen Übertrag.τ 20 und 21 üben die Funktion von Erregern aus, wie die Übertrager 9 und 10 aus F i g. 2, und das Anlegen einer Spannung an die Elektroden auf den Oberflächen eines jeden dieser Übertrager 9,10 hat zur Folge, daß er sich biegt und somit eine Rotation des Rohrs 24 um dessen Achse bewirkt Die Übertrager 22 und 23 haben die Funktion der Meßwertgeber 14 und 15 aus F i g. 2.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitspegel-Meßgerät mit einem durch zumindest einen Erreger zu mechanischen Biegeschwingungen anregbaren Fühlerelement, an dem

a) ein mechanische Biegeschwingungen erfassender Meßwertgeber angeordnet ist, dessen Ausgangssignal an eine den Erreger beaufschlagende Steuerschaltung angelegt ist,

b) die die Schwingungsfrequenz des Fühlerelements auf dessen Resonanzfrequenz abstimmt und

c) deren Ausgangssignal zusätzlich an eine Auswerteschaltung geführt ist,