DE2933618A1

DE2933618A1 - Vorrichtung zur feststellung und/oder kontrolle eines bestimmten fuellstandes in einem behaelter

Info

Publication number: DE2933618A1
Application number: DE19792933618
Authority: DE
Inventors: Eberhard F. 7888 Rheinfelden Hermann
Original assignee: VEGA VERTRIEB und FERTIGUNG ELEKTRONISCHER GERAETE und APPARATE GRIESHABER KG; Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1979-08-20
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DE2933618C2; US4325416A; CA1140249A

Description

^DiP^|-lnfl-JoachimStrasse München

Dr. Hans-Herbert Stoffregen Hanau STiSST

Hanau, den 16. August 1979 stD-w e-bz 11 704b

Vertrieb und Fertigung

elektronischer Geräte und Apparate

Grieshaber KG

7620 Wolfach

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem zwei Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenem Füllgut gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen, wobei die Schwingungselßmerrta übereinander angeordnet, als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und zur Bestimmung djps Füllstandes in Schwingungen von entgegensetztem Drehsinn angeregt sind und eines der Schwingungselemente als in den Behälter hineinragender Schwingstab gemäß deutscher Patentanmeldung P 28 55 643.6-52 ausgebildet ist.

Mit Hilfe der zuvor erwähnten Vorrichtung ist erstmals die Möglichkeit geschaffen worden, mit einfachen Mitteln den Füllstand in einem Behälter derart zu bestimmen, daß nahezu keine Schwingungsenergie zur Behälterwand übertragen

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wird, wobei gleichzeitig die Genauigkeit der Überwachung überaus präzise vorgenommen werden kann. Durch den Vorschlag, zwei SchwingungselementB übereinander anzuordnen, wird insbesondere auch der Vorteil erzielt, daß die Einspannvorrichtungen des Schwingungsgebildes nahezu keine Wechselkräfte aufnehmen müssen, so daß Schwingungsenergien an die Behälterwandung nur in vernachlässigbarem Umfang abgegeben werden. Das Feststellen leichter Füllgüter ist gleichfalls ohne Schwierigkeiten möglich, da im Vergleich zu den Meßvorrichtungen in Form einer Stimmgabel nicht die möglicherweise Fehler hervorrufenden Gegebenheiten vorliegen können, daß zwischen den Schwingungselementen der Stimmgabel Füllgut abgelagert wird.

Durch das Übereinanderordnen der Schwingungselemente muß jedoch in Kauf genommen werden, daß die Vorrichtung verhältnismäßig groß ausfällt. Häufig wird jedoch gefordert, daß die Meß vorrichtungen zur Bestimmung eines Füllstandes in einem Behälter in kompakter Bauweise ausgeführt werden, um ein Anbringen an beliebigen Stellen in einer Behälterwandung zu ermöglichen, ohne daß die Genauigkeit der Überwachung verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Weiterbildung der Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Schwingungbalemente koaxial und zumindest teilweise sich im Abstand zueinander umfassend, angeordnet sind.

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Durch diesen Lösungsvorschlag wird der Vorteil beibehalten, daß nur ein Schwingungselement benötigt wird, das in unmittelbaren Kontakt mit dem zu überwachenden Füllgut gelangt, ohne daß der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung ausgeübt werden. Durch das teilweise Umfassen wird der weitere Vorteil erzielt, daß die Abmessung der Vorrichtung erheblich verringert werden kann, wodurch die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine kompakte Bauweise einer Vorrichtung zur Festeteilung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter zur Verfugung zu stellen, gelöst wird.

In Ausgestaltung der Erfindung ragt das in den Behälter hineinragende (erste) Schwingungselement in eine in dem zweiten Schwingungselement vorhandene Ausnehmung hinein. Alternativ dazu kann die Aufgabe auch dadurch gelöst werden, daß das in den Behälter hineinragende (erste) Schwingungselement eine Ausnehmung aufweist, in die das zweite Schwingungselement hineinragt.

Vorzugsweise sind die als Drehschwinger ausgebildeten Schwingungselemente jeweils im Zentrum einer als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet, deren Ebene im Ruhezustand senkrecht zu der Achse des entsprechenden Schwingungselementes verläuft, wobei die äußeren Ränder der Membranen über ein rohrfdrmiges Element starr miteinander verbunden sind. Dabei sind die Schwingungselemente derart ausgewählt, daß von diesen hervorgerufenen Drehmomente, die auf das Rohr wirken, auf diesem kompensiert werden.

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Damit der Schwerpunkt des gesamten Schwingungsgebildes bei schwingendem System in Ruhe bleibt, liegt der Schwerpunkt eines jeden Schwingungselemente= vorzugsweise im Zentrum der entsprechenden Membran auf der Drehachse des Schwingungselementes. Dadurch bildet das gesamte Rohr den Schwingungsknoten des Schwingungsgebildes. Vorzugsweise wird das aus den Schwingungselementen, den Membranen und dem rohrförmigen Element sich zusammensetzende Schwingungsgebilde mit einer Ringmembran in ein Einschraubstück eingehängt, mit dem die Vorrichtung in die Wandung des Behälters montiert wird, in dem der Füllstand kontrolliert werden soll.

Bei dem zuerst aufgezeigten Lösungsvorschlag besteht das erste Schwingungselement vorzugsweise aus einem Vollzylinder, der starr mit einem Hohlzylinder verbunden ist, dessen freies (unteres) Ende zur Bildung eines Paddels flach gequescht ist. Dieses Paddel gelangt mit dem zu überprüfenden Füllgut in Berührung, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird.

Das zweite koaxial ^um ersten Schwingungselement angeordnete Schwingungselement besteht vorzugsweise aus zwei starr miteinander verbundenen - einem oberen und einem unteren Zylindern, die eine durchgehende Bohrung zur Aufnahme des oberen Teils des Vollzylinders des ersten Schwingungselementes aufweisen. Die zwei Zylinder sind vorzugsweise im Zentrum der Membran über einen gegenüber den zwei Zylindern einen geringeren Durchmesser aufweisenden, gleichfalls mit der Bohrung versehenen dritten Zylinder starr miteinander verbunden.

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Als Schwingungsantriebssystem wird ein elektromagnetisches System bevorzugt. Zu diesem Zweck ist in dem oberen Zylinder des zweiten Schwingungselementes eine Spule eingelassen, die von einem einen magnetischen Anker darstellenden Rohr umgeben ist, welches gleichzeitig die Umfangsfläche des oberen Zylinders bildet. Da die Spule fest in dem oberen Schwingungselement eingebaut ist, bestimmt sie das Massenträgheitsmoment mit. Als Folge davon wird sowohl das Gewicht als auch der Raumbedarf des Schwingungsgebildes wesentlich verringert. Das die Spule umgebende Rohr besteht aus magnetisch weichem Material. Zwei Stifte aus magnetisch weichem Material bilden die Pole und deren in die Spule hineinragende Abschnitte des ersten Schwingungselementes, welches gleichfalls aus magnetisch weichem Material aufgebaut ist, bilden das Joch des magnetischen Kreises des Antriebssystems.

Zum Betreiben des Sc hwingungs ge bildes wird der Spule ein pulsierender Gleichstrom zugeführt. Als Schwingungsabgriffsystem dient vorzugsweise ein piezoelektrisches Element in Form eines Plättahens, welches auf der als Rückholfeder wirkenden Membran des ersten Schwingungselementes befestigt ist. Selbtverständüch kann das piezoelektrische Elemente durch einen bekannten Dehnungsmeßstreifen, der gleichfalls auf der Membran angeordnet ist, ersetzt werden. Sowohl das piezoelektrische Element als auch der Dehnungsmeßstreifen weisen die Vorteile auf, daß nur ein geringer Raum beansprucht wird, daß das Gewicht gering ist und sowohl eine elektrische als auch mechanische Robustheit gewährleistet

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ist. Das vom Schwingungsabgriffsystem erzeugte elektrische Signal wird in einem Verstärker in den pulsierenden Gleichstrom gewandelt, der - wie erwähnt - durch die Spule des Antriebssystem s fließt. Durch dic3e Maßnahmen wird das Schwingungssystem auf seiner Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt, wenn das in den Behälter hineinragende Schwingungselement mit dem Füllgut in Berührung gelangt. Am Ausgang des Verstärkers ist ein Sehwellwert-Diskriminator angeschlossen, der den Schwingungszustand und damit den Füllstand anzeigt.

Nach dem zuvor beschriebenen alternativen Lösungsvorschlag ist das erste Schwingungselement als Hohlzylinder ausgebildet, der mit seinem Ende mit der Membran verbunden ist und dessen unteres Ende zur Bildung eines Paddels flach gequetscht ist, um gleiche Empfindlichkeiten zur Feststellung des Füllstandes zu erzielen. Das zweite Schwingungselement ist vorzugsweise ein Vollzylinder, dessen unteres Ende in den Hohlzyünder hineinragt. Vorzugsweise ist dabei der Vollzylinder im Bereich der oberen Hälfte mit der zugehörigen Membran in deren Zentrum verbunden.

Vorzugsweise sind die Schwingungselemente hinsichtlich ihrer Massen derart aufgebaut, daß der Schwerpunkt eines jeden Drehschwingers im jeweiligen Drehpunkt, d.h. im Zentrum der zugehörigen Membran liegt, so daß der Schwerpunkt des Gesamtsystems beim Schwingungsvorgang in Ruhe bleibt, um zu verhindern, daß Schwingungsenergie der Behälterwandung übertragen wird.

Insbesondere bei der Ausgestaltung der Erfindung nach dem

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Alternativlösungsvorschlag ist jedoch die Möglichkeit gegeben, daß die Schwerpunkte der beiden Drehschwinger auch außerhalb des jeweiligen Drehpunktes liegen können. Durch die Verschiebung der Schwerpunkte wird vorteilhafterweise eine weitere Vereinfachung und Verkleinerung des Schwingungsgebildes geschaffen, ohne daß man Gefahr laufen muß, daß das Gesamtsystem hinsichtlich seines Schwerpunktes während des Schwingungs Vorganges schwingt. Um diesen Vorteil zu erzielen, muß die Auslenkung des Schwerpunkts des jeweiligen Schwingungselements aus seiner Ruhelage multipliziert mit seiner Masse gleich dem entsprechenden Produkt des zweiten Schwingungselementes sein.

Durch eine geeignete Verteilung der Massen der Schwingungselemente vor und hinter der entsprechenden Membran läßt sich ohne Schwierigkeiten der Schwerpunkt der Drehschwingkörper so verschieben, daß die zuvor aufgezeigte Bedingung erfüllt wird. Selbstverständlich kann die Verschiebung der Schwerpunkte der Schwingungselemente außerhalb der Ebene der Mebran auch bei dem ersten Lösungsvorschlag erfolgen.

Als Schwingungsantriebssystem und als Schwingungsabgriffsystem eigenen sich vorzugsweise piezoelektrische Systeme. Dazu kann das die äußeren Ränder der beiden Membranen verbindende Rohr quer zur Achse geteilt sein. Zwei piezoelektrische Elemente sind zwischen den Abschnitten in der Schwingungsebene liegend so zwischen die beiden Rohrstücke einzuklemmen, daß eines der beiden piezoelektrischen Elemente als Schwingungsantriebssystem und das andere als Schwingungsabgriffsystem dient.

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Ein zwischen den Systemen angeordneter Verstärker sorgt dafür, daß das System schwingt, wenn der in den Behälter ragende Stab vom Füllgut nicht bedeckt ist und das System gedämpft wird, wenn der in de^r> Behälter ragende Stab mit dem Füllgut in Berührung gelangt. Ein Schwellwert-Diskriminator am Ausgang des Verstärkers signalisiert den Schwingzustand und damit den Füllstand.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzip darstellung eines Schwingungssystems,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Ausfuhrungsbeispiels der erfindungs gern äßen Vorrichtung,

Fig. J oine Seitenansicht eines Schwingungselements, welches in einen Behälter hineinragt,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Alternativ Vorschlags der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, jedoch um 90° gedreht.

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Der Fig. 2 ist ein erstes Ausflihrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen. Diese besteht aus zwei Schwingungselementen 10 und 12, die koaxial zueinander und zumindest teilweise sich im Abstand zueinander umfassend angeordnet sind. Das Schwingungselement 10 setzt sich aus einem Vollzylinder 14 in Form eines Stabes und einem Hohlzylinder 16 in Form eines rohrförmigen Teiles zusammen. Dabei ist das rohrförmige Teil 16 dem Behälterinneren zugewandt und ragt in diesen hinein. Der Stab 14 und der rohrförmige Teil 16 sind im Zentrum einer Membran 18 starr miteinander verbunden. Das in den Behälterraum ragende Ende des rohrförmigen Teils 16 ist quer zur Schwingungsrichtung, die durch den Pfeil angedeutet ist, flach gequetscht, wodurch die wirksame Fläche vergrößert und als Folge davon eine EmpflndlichkeitsstBigerung der erflndungsgern äßen Vorrichtung erreicht wird. Durch die rohrfcirmige Ausgestaltung des unteren Abschnitts 16 des Schwingungselements 10 ist erkennbar das Flachquetschen erheblich erleichtert. In der Fig. 3 ist in Seitenansicht das rohrförmige Teil 16 zur Verdeutlichung dargestellt. Das Schwingungselement 10 ist im Vergleich zur Membran 18 in sich steif. Wirkt nun zum Beispiel auf das Schwingungselement 10 in Pfeilrichtung ein Drehmoment, so wird es um eine Drehachse D. aus seiner Ruhelage bewegt. Das Schwingungselement 10 bleibt dabei in sich formstabil. Die Membran 18 wird elastisch deformiert und übt ein rückstellendes Drehmoment auf das Schwingungselement 10 in Form des Drehschwingkörpers aus. Wird das Schwingungselement 10 losgelassen, so beginnt es um seine Ruhelage zu schwingen. Da jeder Punkt des Schwingungselements 10 von der Drehachse D₁ aus gesehen gleichzeitig um denselben Drehwinkel aus der Ruhelage ausgelenkt wird,

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handelt es sich um eine reine Drehschwingung um die Drehachse D₁, die auf einem Durchmesser der Membran 18 liegt. Das Schwingungselement 12 des zweiten Drehschwingers besteht aus den Zylindern 20 und 22, die über einen dritten gegenüber den Zylindern 20 und kc. einen geringeren Durchmesser aufweisenden dritten Zylinder 24 starr miteinander verbunden sind, wobei letzterer im Zentrum einer Membran 26 angeordnet ist.

Durch die Zylinder 20, 22, 24 führt eine axiale Ausnehmung in Form von vorzugsweise einer durchgehenden Bohrung, in die der stabförmige Abschnitt 14 des ersten Schwingungselementes 10 hineinragt. Auch das zweite Schwingungselement 12 ist im Vergleich zur Membran 26 in sich steif, so daß bei einer entsprechenden Anregung eine Drehschwingung um eine Drehachse D_? erfolgt, die auf einem Durchmesser der Membran 26 liegt.

Die Resonanzfrequenzen der beiden Drehschwinger sind abhängig vom Massenträgheitsmoment des jeweiligen Drehschwingkörpers und von der Winkelrichtgröße der als Rückholfeder wirkenden dazugehörigen Membran.

Die Schwingjngselsmente sind so dimensioniert, daß sie die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. Durch geeignete Wahl der Abmessungen der jeweiligen Schwingungselemente 10, 12 und der dazugehörigen Membranen 18, 26 ist dies ohne Schwierigkeiten zu bewerkstelligen.

Die äußeren Ränder der Membranen 18, 26 sind je an einem Ende eines Rohres 28 mit diesem verbunden. Werden die beiden SchWingungselsmente zu Schwingungen entgegengesetz-

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ten Drehsinns, jedoch in der gleichen Drehebene angeregt, so wirken die durch die elastische Deformation der Membranen 18, 26 verursachten Drehmomente auf das Rohr 28 und kompensieren sich. Wird die Massenverteilung der beiden Drehschwingkörper so gewählt, daß ihre Schwerpunkte Je auf ihrer Drehachse D bzw. D~ liegen, so bewegen sich die beiden Schwerpunkts während des Schwing ungs Vorganges nicht, so daß auch der Schwerpunkt des gesamten Systems nicht schwingt. Das Rohr 28 bildet deshalb auf seiner gesamten Länge den Schwingungsknoten des Schwingungssystems. Mit einer Ringmembran 30 wird das Schwingungssystem an dem Rohr 28 in einem EinschraubstUek 32 befestigt. Die schwingungstechnisch weiche Aufhängung der Ringmembran 30 soll verhindern, daß eine eventuell noch vorhandene Restschwingung auf dem Rohr 28 Über das EinschraubstUck 32 zu einer Behälterwandung 34 verloren gehen kann.

Als besonders vorteilhaft hat sich als Schwingungsantriebssytem ein elektromagnetisches System gezeigt. Dazu ist eine Spule 34 in den oberen Zylinder 20 fest eingebaut. Die Spule 34 ist von einem Rohr 36 umgeben. Das Rohr 36 besteht aus magnetisch weichem Material und dient als magnetischer Anker. Als magnetische Pole dienen zwei Stute 38 aus magnetisch weichem Material. Die Stifte 38 sind unter- und oberhalb der Spule 34 in der Schwingungsebene radial in dem Zylinder 20 eingelassen und reichen von dem äußeren Rohr 36 bis zur axialen Bohrung. Die Stifte 38 als magnetische Pole leiten das magnetische Feld der Spule 34 über einen Luftspalt zu dem Vollzylinder 14 des ersten Schwingungselementes 10, der zumindest im Bereich der Spule 34 aus magnetisch weichem Material besteht. Das Rohr 36, die

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Pole 38 und der stabförmige Abschnitt 14 des ersten Schwingungselementes 10 bilden einen magnetischen Kreis. Das Rohr 36, die Pole 38 und die Spule 34 stellen - wie erwähnt ein Teil der Drehschwingmasse des oberen Zylinders 20 des zweiten Schwingungselementes 12 dar und tragen so mit ihrer Masse zum Massenträgheitsmoment bei und bilden gleichzeitig das Schwingungsantriebssytem. Durch diese doppelte Funktion wird eine kompaktere Bauweise bei gleichzeitiger Verringerung des Gewichts der erfindungsgem äßen Vorrichtung gewonnen. Die Anschlußdrähte für die Spule 34 werden nahe der Membran 26, d.h. am Schwingungsknoten herausgeführt, so daß das Schwingungssystem durch die Anschlußdrähte nicht gedämpft werden kann.

Fließt durch die Spule 34 ein pulsierender Gleichstrom, so wird das Schwingungselement 10 im Rhythmus der Stromschwankungen zu den Polen 38 hingezogen, d.h. die beiden Schwingungselemente 10 und 12 in Form von Drehschwingern werden in einer gemeinsamen Schwingungsebene zu Drehschwingungen mit entgegengesetztem Drehsinn angeregt. Als Schwingungsabgriffsystem dient vorzugsweise ein piezoelektrisches Keramikplättehen 40, das in der Schwingungsebene auf der Membran 18 angeordnet, vorzugsweise aufgeklebt ist. Durch eine oeriodische Deformation der Membran 18 beim Schwingungsvorgang wirken entsprechende Kräfte auf das piezoelektrische Plättchen 40, so daß dies ein Wechselspannungssignal abgibt, das in Amplitude und Frequenz der mechanischen Schw ingungs am plxtude des Schwingungssystems und dessen Frequenz entspricht. Die periodische Deformation der Membran 18 kann auch durch einen nicht dargestellten

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De h η ungs meßstreife η abgegriffen werden, der in bekannter Weise auf die Membran 18 befestigt sein kann. Man erhält dann eine periodische Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens, die elektronisch in ein Wechselspannungssignal wandelbar ist. Beide Möglichkeiten für einen Schwingungsabgriff bieten den Vorteil, daß nur ein geringer Raum beansprucht wird, daß ihr Gewicht gering ist und daß sie sowohl elektrisch als auch mechanisch sehr robust und außerdem preiswert sind. Das Schwingungsabgriffsystem wird - wie erwähnt - auf der Membran 18 montiert, also auf der Membran des Schwingungselementes 10, dessen unterer Teil 16 in den Behälterraum hineinragt und bei Berührung mit dem Füllgut gedämpft wird. Eine Dämpfung wirkt somit direkt auf das Schwingungsabgriffsytem und bewirkt dadurch eine besonders schnelle und sichere Dämpfung des gesamten Systems.

Schwingt das Schwingungsgebilde, so wird von dem Schwingungsabgriffsystem 40 ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Frequenz gleich der Schwingungsfrequenz des Drehschwingers 10 und dessen Amplitude proportional zu der mechanischen Schwingungsamplitude des Drehschwingers 10 ist. Dieses elektrische Signal wird einem Verstärker 42 zugeführt, in diesem verstärkt und in einen pulsierenden Gleichstrom gewandelt, der der Spule 34 zugeführt wird. Es liegt somit ein rückgekoppeltes System vor. Ist die Frequenz dieses pulsierenden Stromes gleich der Resonazfrequenz der beiden Schwingungselemente 10, 12, so wird eine maximale Schwingungsamplitude und damit eine maximale Amplitude des elektrischen Signals vom Schwingungsabgriffsystem 40

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erhalten. In diesem Fall ist die größte Ringverstärkung des rückgekoppelten Systems bei der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems erreicht. Ist die Ringverstärkung größer als 1, so beginnt das System wie jeder bekannte Oszillator von selbst zn schwingen, und zwar auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungsgebildes. Begrenzt werden die Schwingungsamplituden dadurch, daß der Verstärker 42 übersteuert wird. Wird der in den Behälterraum hineinragende Abschnitt 16 des Schwingungselements 10 vom Füllgut bedeckt, so wird die Schwingung durch Energieentzug gedämpft. Dadurch spricht ein dem Verstärker 42 nachgeschalteter Schwellwert-Diskriminator 44 an, wodurch wiederum ein dem Schwellwert-Diskriminator 44 nachfolgendes Relais 46 umschaltbar ist. Wird der untere Abschnitt des Schwingungselements 10 in Form eines Paddels durch Absenken des Füllstandes wieder frei, so schwingt das System wieder an und der Schwellwert-Diskriminator 44 schaltet das Relais 46 zurück. Da das mechanische Schwingungsgeb.ilde erkennbar kaum Schwingungsenergie verliert, sofern es nicht in das Füllgut eintaucht, muß die Antriebsleistung durch den Verstärker sehr gering sein, uni das System anschwingen zu lassen und die Schwingung aufrecht zu erhalten. Dadurch kann das System ,jedoch schon durch eine ^ehr ^eringe Dämpfung, wie sie zum Beispiel durch sehr leichte Schüttgüter hervorgerufen wird, zum Ans «rechen gebracht werden, das heißt auch extrem leichte Schüttgüter können mit der erfindungsgern äßen Vorrichtung kontrolliert und überwacht werden.

In den Fig. 4 und 5 ist ein alternativer Lösungsvorschlag der erfindungsgemäßen Lehre wiedergegeben. Die Fig. 4 stellt einen Schnitt in der Schwingungsebene, die Fig. 5

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einen Schnitt senkrecht zur Schwingungsebene dar.

Ein in einen Behälterraum hineinragendes Schwingungselement 48 ist als Hohlzylinder, also rohrförmig ausgebildet und an seinem unteren freien Ende quer zur Schwingungsrichtung flach gequetscht. Mit seinem anderen oberen Ende ist er zentrisch in einer als Rückholfeder wirkenden Membran 50 befestigt, wobei im Ruhezustand die Ebene der Membran 50 senkrecht zur Achse des Schwingungselements 48 verläuft. Sofern das Schwingungselement 48 als Drehschwinger eine Drehschwingung ausübt, so erfolgt diese um eine Drehachse D-, die auf einem Durchmesser der Membran 50 liegt. Ein zweites Schwingungselement 52 in Form eines Völlzylinders oder eines Stabes ragt mit seinem freien Ende in die Ausnehmung des Hohlzylinders des ersten Schwingungselements 48. Vorzugsweise in der oberen Hälfte des zweiten Schwingungselements 52 ist dieses zentrisch in einer gleichfalls als Rückholfeder wirkenden Membran 54 befestigt. Sofern das Schwingungselement 52 Drehschwingungen durchführt, erfolgen diese um eine Drehachse D_?, die gleichfalls auf einem Durchmesser der Membran 54 liegt. Die äußeren Ränder der Membranen 50 und 54 sind über ein Rohr 56 miteinander verbunden. Durch geeignete Abmessungen weisen die Schwingungselemente 48 und 52 die gleiche Resonanzfrequenz auf. Damit das aus den Schwingungselementen 48, 52 den Membranen 50, 54 und dem Verbindungsrohr 56 sich zusammensetzende Schwingungsgebilde beim Schwingungsvorgang einen in Ruhe befindlichen Schwerpunkt aufweist, muß in geeigneter Weise die Massenverteilung des Schwingungselements 52 unter- und oberhalb der Membran 54 gewählt werden.

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Es ist nämlich nicht erforderlich, daß die Schwerpunkte eines jeden Schwingungselements 48, 52 mit der Drehachse D₁ bzw. D_? zusammenfallen. Dies ist der Fig. 1 zu entnehmen. Ein Schwingungselement DS₁ ist als rohrförmiger Drehschwingkörper ausgebildet und weist die Masse m₁ auf. Die Auslenkung aus der Ruhelage ist mit dem Winkel (X, -. gekennzeichnet. Gleichzeitig wird dabei der zugehörige Schwerpunkt S um die Strecke L₁ aus gelenkt.

Ein zweites Schwingungselement in Form eines stabfdrmigen Drehschwingkörpers DS_? mit der Masse m„ soll oberhalb des ersten Schwingungselements DS.. koaxial zu diesem angeordnet und um einen Winkel <X/ ₉ aus seiner Ruhelage bewegt sein. Dabei wird sein Schwerpunkt S_? um die Strecke Lp ausgelenkt. Der stabförmige Drehschwingkörper DS₁ soll des weiteren in den Drehschwingkörper DS₁ hineinragen und ein kleineres Massenträgheitsmoment aufweisen. Unter der Voraussetzung, daß beide Schwingungselemente DS₁ und DS„ die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, muß die Winkelrichtgröße des SchwingungselementB DS₉ entsprechend kleiner sein als die d-s SchwingungselementB DS₁, Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz eines Drehschwingers vom Massenträgheitsmoment und von der Winkelrichtgröße ist durch folgende Gleichung gegeben:

2 Π

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wobei f gleich Frequenz, D gleich Winkelrichtgröße und J gleich Massenträgheitsmoment bedeuten.

Die Bedingung dafür, daß der Schwerpunkt des gesamten Schw"^:ngungssystems in Ruhe bleibt, ist die folgende:

Rot gegebenem Schwingungselement DS 1 mit bestimmten Werten für die Frequenz, das Massenträgheitsmoment, der W inkelrichtgröße, der Masse des Schwingkörpers sowie des Ah.^t:· tan des des Schwerpunktes vom Drehpunkt und Auslenkungswinkel lassen sich die entsprechenden Werte für das Schwin^ungselement DS_? berechnen. Durch geeignete Verteilung der· Massen der Schwingungselemente DS. und DS_?, insbesondere der M assen verteilung des Drehschwingkörpers DS₀ vor und hinter der zugehörigen Membran läßt sich der Schwerpunkt des Drehschwingkörpers so verschieben, daß die obige Bedingung eingehalten wird. Auf diese Weise kann das Cchv/üTningssystem noch wesentlich kompakter und preiswerter aufgebaut sein.

Werden nun die Schwingungselemente 48, 52 nach dem Ausführungsbeispißl der Fig. 4, und 5 entsprechend der zuvor aufgezeigten Bedingungen durch geeignete Wahl der Abmessungen auf gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und zu Schwingungen im entgegengesetzten Drehsinn jedoch in giRi^her Schwingungsebene angeregt, so kompensieren sich d:e Drehmomente der beiden Schwingungselemente 48 und 52 ;iuf lorn Vfrbindungsrohr 56, so daß dieses auf seiner ganzen Lange den Knoten des Schwingungssystems bildet. Entsprechend des Lösungsvorschlages nach Fig. 2 ist auch das

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Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 über eine Pdngmembran 58 mit einem Einschraubstück 60 verbunden.

Zum Schwingungsantrieb und -abgriff sind piezoelektrische Systeme vorgesehen. Das Rohr 56 ist zur Aufnahme von piezoelektrischen Elementen 62 quer zu seiner Achse geteilt. Die beiden Teile sind gemäß Fig. 5 über zwei Schraubverbindungen 64 mit einander verbunden. Die Verschraub ungsstellen liegen auf einem Durchmesser des Rohres 56, der senkrecht zur Schwingungsebene liegt. Zwei Distanzscheiben 66 sorgen für einen Spalt zwischen den beiden Abschnitten des Rohres 56. In der Schwingungsebene auf dem Durchmesser des Rohres 56 sind zwischen den beiden Abschnitten des Rohres 56 diametral gegenüber jeweils zwei piezoelektrischen Keramikscheiben zur Bildung Jeweils eines piezoelektrischen Wandlerpaares 62 angeordnet. Zwischen den piezoelektrischen Keramikscheiben befindet sich jeweils eine dünne Metallfolie als Elektrode 68. Die zweite Elektrode der piezoelektrischen Wandlerpaare 62 wird durch die von einander getrennten Abschnitte des Rohres 56 gebildet, die über die Schrauben 64 elektrisch miteinander verbunden sind. Somit sind die beiden piezoelektrischen Keramikscheiben eines jeden Wand'erpaar^s elektrisch parallelgeschaltet, während sie mechanisch in Serie vorliegen.

Wird an ein piezoelektrisches Wandlerpaar 62 eine Wechselspannung angelegt, so wird der Wandler im Rhythmus der Wechselspannung dicker bzw. dünner und regt so über die äußeren Ränder der beiden Membranen 50, 54 die beiden SehwJngursgselemente 48, 52 zu gegensinnigen Drehschwingungen um ihre jeweiligen Drehachsen DS .. bzw. DS _o an.

Das zweite piezoelektrische Wandlerpaar 62, das sich in der

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gegenüberliegenden Seite des Rohres 56 befindet, ist entsprechend dem ersten Wandlerpaar aufgebaut und gibt eine Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz und der Amplitude der mechanischen Schwingung ab. Das Ausgangssignal wird bekannterweise einem elektronischen Verstärker 70 zugeführt und von diesem verstärkt um dem ersten piezoelektrischen Wandlerpaar 62 zugeführt zu werden. Somit erhält man ein rückgekoppeltes System, das - wie erwähnt wie ein üblicher Oszillator schwingt, wenn die Ringverstärkung großer als 1 ist. Wie bei der zuerst beschriebenen Losung gilt auch hier, daß das System automatisch auf der mechanischen Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers schwingt. Wird das in dem Behälter hineinragende Schwingungselement 48 vom Füllgut bedeckt, so erfolgt eine Dämpfung der Schwingung, wodurch ein dem Verstärker nachgeschalteter Schwellwert-DiskriminatDr 72 anspricht, der wiederum ein ReIa's 74 umschalten läßt. Nach Absinken des Füllstandes wird das untere Ende des Schwingungselementes 48 wieder frei, so daß das System wieder anschwingt und der- Schwellwert-DiskriminatDr 72 das Relais 74 zurückschaltet. Durch die Anordnung der piezoelektrischen Wandler zwischen den Rohrabschnitten ist zwar nicht hundertprozentig die Bedingung erfüllt, daß das gesamte Rohr 46 einen Schwingungsknoten des Systems bildet. Aufgrund der hohen Güte des Schwingungssystems und der daraus resultierenden großen Resonanzüberhöhung sind die kleinen, von den piezoelektrischen Wandlern kommenden Schwingungsamplituden jedoch vernachlässigbar und die Aufhängung des Schwingungssystems mit der Ringmembran 58 kann ohne Verringerung der Empfindlichkeit an dem Rohr 56 vorgenommen werden.

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Hanau, den 16. August 1979 sto-we-bz 11 704b

Vertrieb und Fertigung

elektronischer Geräte und Apparate

Grieshaber KG

Wolfach

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter

Ansprüche :

ί ' 1.) Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle ^-~s eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem zwei Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von dem in dem Behälter vorhandenen Füllgut gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen, wobei die Schwingungselemente übereinander angeordnet, als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und zur Bestimmung des Füllstandes in Schwingungen von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind und einer der Schwingungselemente als in den Behälter hineinragender Schwing-

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stab gemäß deutscher Patentanmeldung

P 28 55 643.6-52 ausgebildet ist, d a

durch gekennzeichnet, daß
die Schwingungselements (10, 12; 48, 52) koaxial und zumindest teilweise sich im Abstand zueinander umfassend, angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß das in den Behälter hineinragende (erste) Schwingungselement (10) in eine in dem zweiten Schwingungselement (12) vorhandene Ausnehmung hineinragt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß das in den Behälter hineinragende (erste) Schwingungselement (48) eine Ausnehmung aufweist, in die das zweite Schwingungselement (52) hineinragt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß jedes der Schwingungselemente (10, 12; 48, 52) im Zentrum jeweils einer als Rückholfeder wirkenden Membran (18, 26; 50, 54) angeord-

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net ist, deren Ebenen in der Ruhestellung senkrecht zu den Achsen der Schwingungselemente verlaufen, wobei die äußeren Ränder der Membranen über ein rohrförmiges Element (28; 56} starr miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß das erste Schwingungselement (10) aus einem Vollzylinder 14 besteht, der starr mit einem Hohlzylinder 16 verbunden ist, dessen freies (unteres) Ende zur Bildung eines Paddels flach gequetscht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß das zweite Schwingungselement (12) aus zwei starr miteinander verbundenen Zylindern (20, 22) besteht, die eine durchgehende Bohrung zur Aufnahme des oberen Teils des Vollzylinders (14) des ersten Schwingungselementes (10) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß die zwei Zylinder (20, 22) im Zen-

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trum der Membran (26) über einen gegenüber den zwei Zylindern geringeren Durchmesser aufweisenden gleichfalls mit der Bohrung versehenen dritten Zylinder (24) starr miteinander verbunden sind.

Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß in dem oberen Zylinder (20) für ein elektromagnetisches Sc hw ing ungs antriebssystem eine Spule (34) eingelassen ist, die von einem einen magnetischen Anker darstellenden Rohr (36) umgeben ist, das gleichzeitig die Umfangsfläche des oberen Zylinders (20) bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der obere Zylinder (20) radial in seiner Schwingungsebene von zwei die Spule (34) umgebenden stabförmigen Elementen (38) in Form von vorzugsweise Stiften aus magnetisch weichem Material zwischen dem Rohr (36) und der Ausnehmung durchdrungen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und/oder Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vollzylinder (14) des ersten Schwingungselements (10) zumindest im Bereich der Spule (34) aus magnetisch weichem Material besteht.

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11. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeich
net, daß das Rohr (36) die als magnetische Pols wirkenden stabfb'rmigen Elemente (38) sowie der Vollzylinder (14) einen magnetischen Kreis darstellen.

12. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, daß
der Spule (14) ein pulsierender Gleichstrom zuführbar ist, der von einem auf der Membran (18) des ersten Schwingungselements (10) befestigten piezoelektrischen Elemente (40) oder Dehnungsmeßstreifen gewonnenen elektrischen Signal ableitbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch

gekennzeichnet, daß das elektrische Signal einem Verstärker (42) zufuhrbar ist, um dieses zum einen der Spule (34) und zum anderen einem S^hwellwert-Diskriminator (44) zuzuführen, welchem ein Schaicorgan (46) zum Feststellen und/oder Kontrollieren des Füllstandes in dem Behälter nachgeordnet ist.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schwingungselement (48) ein Hohlzylinder ist, der mit seinem oberen Ende mit der Membran (50) verbunden ist und dessen unteres Ende zur Bildung eines Paddels flach gequetscht ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schwingungselement (52) ein Vollzylinder ist, dessen unteres Ende in den Hohlzylinder (48) hineinragt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge

ke η nzeichnet, daß der Vollzylinder (52) vorzugsweise im Bereich der oberen Hälfte mit der zugehörigen Membran (54) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 und/oder Ansprch 4, dadurch gekennzeichn e t, daß das die äußeren Ränder der Membranen (50, 54) verbindende Element (56) ein Rohr ist, das in einen unteren und in einen oberen Abschnitt unterteilt ist, wobei zwischen den Abschnitten jeweils zwei piezoelektrische Elemente zur Bildung von piezoelektrischen Wandlerpaaren (62) diametral zueinander angeordnet sind.

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18. Verrichtung nach Anspruch 17 ,dadurch ge

kennzeichnet, daß das elektrische Signal des einen piezoelektrischen Wandlerpaares einem Verstärker (70) zuführbar 1st, und daß diese sowohl dem anderen piezoelektrischen Wandler als auch einem Schwellwert-Diskriminator (42) mit nachgeordneter Schaltvorrichtung (74) zuführbar ist.

19. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1 und/oder Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Schwerpunkt eines jeden Schwingungselementss (10, 12; 48, 52) mit dem Zentrum der entsprechenden Membran (18, 26; 50, 54) zusammenfällt.

20. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1 und/oder Anspruch 4, dadurch gekennzeich η e t, daß der aus den Schwingungselementsn (10, 12; 48, 52) den Membranen (18, 26; 50, 54) und den deren Rändern verbindende Elementen (28; 56) herrührende Schwerpunkt bei schwingendem System ruht.

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