DE2949162A1 - Vorrichtung zur feststellung eines vorbestimmten fuellstandes - Google Patents

Vorrichtung zur feststellung eines vorbestimmten fuellstandes

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296Acoustic waves
    • G01F23/2966Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves

Description

  • Vorrichtung zur Feststellung
  • eines vorbestimmten Füllstandes Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung eines vorbestimmten Füllstandes mit einem an einer Stelle zwischen seinen Enden eingespannten Schwingstab, der in solcher Höhe angeordnet ist, daß er von dem Füllgut wenigstens teilweile bedeckt ist, wenn dieses den vorbestimmten Füllstand erreicht, einer Erregeranordnung zur Erregung von Schwingungen in dem Schwingstab und mit einer Anzeigeanordnung, die anspricht, wenn die Amplituden der Schwingungen des Schwingstabs einen vorbestimmten Grenzwert unterschreiten.
  • Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus der GB-PS 821 148 bekannt. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß der Schwingstab unter der Wirkung der Erregeranordnung Schwingungen beträchtlicher Amplitude ausführen kann, wenn er nicht in das Füllgut eintaucht; diese Schwingungen werden von der Anzeigeanordnung festgestellt und als Kriterium dafür gewertet, daß der Füllstand unter dem durch die Einbauhöhe des Schwingstabs festgelegten Wert liegt. Sobald dagegen der Schwingstab in das Füllgut eintaucht, werden seine Schwingungen gedämpft; das Unterschreiten der vorbestimmten Schwingungsamplitude bzw.
  • das vollständige Aussetzen der Schwingungen wird von der Anzeigeanordnung festgestellt und zeigt an, daß der vorbestimmte Füllstand erreicht oder überschritten ist.
  • Die Erregung des Schwingstabs erfolgt bei dieser bekannten Anordnung durch eine den Schwingstab koaxial umgebende Spule, die den Schwingstab in Longitudinalschwingungen versetzt, und zur Abnahme der Schwingungen des Schwingstabs sind an dessen dem Füllgut abgewandten Ende Induktionsspulen angeordnet. Die Induktionsspulen sind mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden, an dessen Ausgang die Erregungsspule angeschlossen ist, so daß das aus den Spulen und dem Schwingstab bestehende System im Rückkopplungskreis des Verstärkers liegt. Der auf diese Weise gebildete Oszillator erregt sich mit einer Frequenz, die der natürlichen Eigenfrequenz der Longitudinalschwingungen des Schwingstabs entspricht, wenn der Schwingstab nicht in das Füllgut eintaucht. Wenn dagegen der Schwingstab ganz oder teilweise vom Füllgut bedeckt ist, werden die Schwingungen gedämpft, so daß ihre Amplitude kleiner wird oder die Schwingungen ganz abreißen.
  • Die Empfindlichkeit einer Vorrichtung dieser Art ist umso größer, je größer die Dämpfung durch das Füllgut ist, je größer also die Leistung ist, die dem schwingenden System vom Füllgut im Verhältnis zur Leerlaufleistung entzogen wird. Um die Leerlaufleistung klein zu halten und dennoch eine ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen, wird der Schwingstab bei den bekannten Vorrichtungen so aufgehängt, daß möglichst wenig Schwingungsenergie über die Aufhängung an die Umgebung abgegeben wird. Zu diesem Zweck erfolgt die Aufhängung durchwegs im Schwingungsknoten der Grundschwingung der im Schwingstab erzeugten Longitudinalschwingungen.
  • Bei einem vollkommen homogenen und symmetrischen Schwingstab, der in seiner natürlichen Eigenschwingung erregt wird, liegt dieser Schwingungsknoten in der Mitte des Schwingstabs. Bei dieser Art der Aufhängung ergibt dann schon eine geringfügige Bedeckung des Schwingstabs mit dem Füllgut, auch wenn dieses nur schwach dämpfend ist, eine so starke Dämpfung der Schwingungen des Schwingstabs, daß die Schwingungen abreißen oder zumindest ihre Amplitude unter den Grenzwert fällt und dadurch das Erreichen des vorbestimmten Füllstand angezeigt wird. Es besteht jedoch andrerseits der Nachteil, daß Ansatzbildungen durch am Schwingstab haftendes Füllgut bereits eine so starke Dämpfung verursachen können, daß Fehlmeldungen ausgelöst werden, weil die Anzeigevorrichtung fälschlicherweise eine Bedeckung des Schwingstabs mit dem Füllgut anzeigt.
  • Es ist beispielsweise aus der GB-PS 813 497 auch bekannt, für die Erregung und Abnahme von Longitudinalschwingungen in einem Schwingstab anstelle von Spulen piezoelektrische Wandler zu verwenden. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird aber nicht die Bedämpfung der Schwingungen durch das Füllgut für die Anzeige des Füllstandes verwendet, sondern das Prinzip der Schallschranke. Zu diesem Zweck sind zwei Schwingstäbe derart im Abstand voneinander angeordnet, daß die vom einen Schwingstab erzeugten Schall- oder Ultraschallschwingungen zum anderen Schwingstab übertragen werden, wenn sich zwischen den einander zugewandten Enden der Schwingstäbe Füllgut befindet, während die Ubertragung unterbleibt, wenn der Zwischenraum mit Luft gefüllt ist. Diese Vorrichtung eignet sich nur für Füllgüter, die Schall- oder Ultraschallschwingungen besser übertragen als Luft; ferner dürfen diese Füllgüter die Schwingungen der Schwingstäbe nicht wesentlich dämpfen. Diese Bedingungen werden in erster Linie nur von Flüssigkeiten erfüllt.
  • Ferner ist die Verwendung von zwei getrennten, als Sender bzw.
  • Empfänger wirkenden Schwingstäben aufwendig, und der Einbau solcher Schwingstäbe in der erforderlichen gegenseitigen Lage ist oft mit Schwierigkeiten verbunden.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, welche die Feststellung eines vorbestimmten Füllstandes mit Hilfe eines einzigen Schwingstabs auch bei Ansatzbildungen mit großer Sicherheit gewährleistet.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einspannstelle des Schwingstabs in dessen Längsrichtung gegen die Lage des Schwingungsknotens der Grundschwingung der natürlichen Eigenschwingungen des nicht vom Füllgut bedeckten Schwingstabs versetzt ist.
  • Infolge der Aufhängung außerhalb des Schwingungsknotens ist der Schwingstab bei der Vorrichtung nach der Erfindung bereits im Leerlauf, d.h. wenn er nicht mit Füllgut bedeckt ist, bedämpft. Die Anregungsleistung muß natürlich ausreichend bemessen sein, um in diesem Zustand die Schwingungen des Schwingstabs aufrecht zu erhalten. Eine zusätzliche Bedämpfung durch Ansatzbildungen des Füllguts reicht dann nicht aus, um die Amplitude der Schwingungen unter den Grenzwert zu verringern, bei dem die Anzeigeanordnung anspricht. Erst wenn der Schwingstab in das Füllgut eintaucht, werden die Schwingungen so stark bedämpft, daß die Anzeigeanordnung anspricht und das Erreichen des vorbestimmten Füllstands anzeigt.
  • Die anfängliche Bedämpfung durch die Einspannung hängt einerseits von der Art der Einspannung und andrerseits vom Abstand zwischen der Einspannstelle und dem Schwingungsknoten ab.
  • Hinsichtlich der Art der Einspannung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß der Schwingstab mittels einer am Rand eingespannten Membran aufgehängt ist, die eine Offnung aufweist, in der der Schwingstab an der Einspannstelle befestigt ist. Für den Abstand zwischen Einspannstelle und Schwingungsknoten ist es zweckmäßig, daß die Einspannstelle zwischen dem Schwingungsknoten der Grundschwingung und dem Schwingungsknoten der ersten Oberschwingung liegt; sie kann beispielsweise in der Mitte zwischen diesen beiden Schwingungsknoten liegen. Im allgemeinen werden gute Ergebnisse erzielt, wenn der Abstand der Einspannstelle vom Schwingungsknoten der Grundschwingung etwa 5 bis 108 der Länge des Schwingstabs beträgt.
  • In allen Fällen ist vorzugsweise der Schwingstab so angeordnet, daß die Einspannstelle vom Schwingungsknoten nach der dem Füllgut abgewandten Seite hin versetzt ist. Beim Eintauchen des Schwingstabs in das Füllgut erfolgt nämlich nicht nur eine Bedämpfung, sondern auch eine Änderung der Eigenschwingungsfrequenz des Schwingstabs infolge der Belastung des einen Schwingstabendes. Dadurch verlagert sich der Schwingungsknoten der Grundschwingung des Schwingstabs zu dem belasteten Ende, also zum Füllgut hin. Bei der angegebenen Art der Einspannung vergrößert sich dann der Abstand zwischen dem Schwingungsknoten und der Einspannstelle, so daß die durch die Einspannung bewirkte Dämpfung verstärkt wird. Die Einspanndämpfung und die Füllgutdämpfung wirken somit kumulierend. Wäre dagegen die Einspannstelle vom Schwingungsknoten nach der dem Füllgut zugewandten Seite hin versetzt, so würde beim Eintauchen des Schwingstabs in das Füllgut der Schwingungsknoten zur Einspannstelle hin wandern, was eine Verringerung der Einspanndämpfung zur Folge hätte. Einspanndämpfung und Füllgutdämpfung wären in diesem Fall gegenläufig.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 ein Schaltbild der mit der Vorrichtung von Fig. 1 verbundenen Schaltungen und Fig. 3 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der mit der Vorrichtung von Fig. 1 verbundenen Schaltungen.
  • In Fig. 1 ist die Wand 1 eines Behälters dargestellt, der zur Aufnahme eines Füllguts bestimmt ist, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts. Die Behälterwand 1 hat eine öffnung 2, in der eine Vorrichtung 3 befestigt ist, mit deren Hilfe festgestellt werden soll, ob das Füllgut im Behälter einen vorbestimmten Füllstand erreicht hat oder nicht. Die Vorrichtung 3 hat ein Einschraubstück 4 mit einem Gewindeabschnitt 5, der in die öffnung 2 der Behälterwand 1 eingeschraubt ist, und einen Sechskantabschnitt 6 zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels. Ein zwischen die Behälterwand 1 und den Sechskantabschnitt 6 eingelegter Dichtring 7 dient zur Abdichtung zwischen dem Behälter inneren und dem Außenraum.
  • Das Einschraubstück 4 hat eine axiale Ausnehmung 8, die am unteren, dem Behälter zugewandten Ende durch einen ringförmigen Ausschnitt 9 erweitert ist. In dem ringförmigen Ausschnitt 9 ist der Außenrand einer Membran 10 befestigt, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder auch durch nicht dargestellte lösbare Befestigungselemente. Die Membran hat eine Mittelöffnung 11, die koaxial zur Achse des Einschraubstücks 4 und der axialen Ausnehmung 8 liegt.
  • Ein Schwingstab 12 ist durch die axiale Ausnehmung 8 des Einschraubstücks 4 und die Mittelöffnung 11 der Membran 10 hindurchgeführt, so daß er in das Innere des Behälters ragt. Der Schwingstab 12 wird ausschließlich durch die Membran gehalten, mit der er rings um den Rand der Mittelöffnung 11 fest und dicht verbunden ist, beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen, wie durch die Schweißnähte 13 angedeutet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Schwingstab 12 aus einem Rohr, das an dem dem Behälterinneren zugewandten Ende durch eine Verschlußscheibe 14 verschlossen ist. Der dem Behälter abgewandte Teil des Schwingstabs 12 ragt durch die axiale Ausnehmung 8 des Einschraubstücks 4 nach außen.
  • Die Membran 10 kann auch aus einem Stück mit dem Einschraubstück 4 gebildet sein, indem sie beim Ausdrehen der axialen Ausnehmung 8 stehen gelassen und anschließend mit der Mittelöffnung 11 versehen wird.
  • An der Stirnfläche 15 des nach außen ragenden Endes des Schwingstabs ist ein piezoelektrischer Wandler 16 angebracht.
  • Ein zweiter piezoelektrischer Wandler 17 ist seitlich an der Mantelfläche des Schwingstabs 12 in der Nähe der Stirnfläche 15 angeordnet. Der Wandler 17 ist über Leitungen 18, 19 mit einem Oszillator 20 verbunden, und der Wandler 16 ist über Leitungen 21, 22 mit dem Eingang eines Verstärkers 23 verbunden.
  • Wenn der Oszillator 20 den piezoelektrischen Wandler 17 mit elektrischen Schwingungen erregt, deren Frequenz gleich der Frequenz der Eigenschwingungen des Schwingstabs 12 ist, versetzt der Wandler 17 den Schwingstab 12 in im wesentlichen longitudinale Schwingungen. Der Wandler 16 tastet diese Schwingungen des Schwingstabs 12 ab und wandelt sie in eine elektrische Spannung um, die dem Eingang des Verstärkers 23 zugeführt wird. Die Schwingungen im Schwingstab 12 können eine beträchtliche Amplitude erreichen, solange der Schwingstab nicht durch Eintauchen in das Füllgut gedämpft ist. Wenn dagegen das untere Ende des Schwingstabs 12 in das Füllgut eintaucht, werden die Schwingungen stark gedämpft, und das Ausgangssignal des Wandlers 16 fällt auf einen kleinen Wert.
  • Diese Erscheinung wird von einer an den Ausgang des Verstärkers 23 angeschlossenen Auswerteschaltung als Kriterium dafür gewertet, daß das Füllgut im Behälter einen vorbestimmten Füllstand erreicht hat, welcher der Höhe entspricht, auf der das untere Ende des Schwingstabs 12 angeordnet ist. Wenn dagegen der Füllstand im Behälter so weit absinkt, daß der Schwingstab 12 nicht mehr vom Füllgut bedeckt ist, nimmt die Amplitude der Schwingungen wieder zu, und demzufolge steigt auch das Ausgangssignal des Verstärkers 23 an, was dann als Kriterium dafür gewertet wird, daß der vorbestimmte Füllstand unterschritten ist.
  • Die Rolle der Wandler 16 und 17 kann auch vertauscht werden, so daß der Wandler 16 an den Ausgang des Oszillators angeschlossen ist und als Antriebselement dient, während der Wandler 17 das Empfangselement bildet, das ein die Schwingungen des Schwingstabs anzeigendes Ausgangssignal zum Verstärker liefert. Die beiden Wandler können auch nebeneinander an der gleichen Fläche angeordnet sein, also entweder an der Stirnfläche 15 oder an der Mantelfläche des Schwingstabs 12, und sie können in diesem Fall durch einen handelsüblichen kombinierten Sende-Empfangs-Wandler gebildet sein.
  • Bei einem vollkommen homogenen und symmetrischen Schwingstab entspricht die Frequenz der Grundschwingung der Eigenresonanz des Schwingstabs einer Wellenlänge, die doppelt so groß wie die Länge des Schwingstabs ist; der Schwingstab ist dann ein sogenannter A/2-Stab. Der Schwingungsknoten der Grundschwingung der im Schwingstab erzeugten Longitudinalschwingungen liegt dann in der Mitte des Schwingstabs, und die Schwingungsamplituden haben ein Maximum an den beiden Stirnflächen. Ein rohrförmiger Schwingstab der in Fig. 1 dargestellten Art mit einer Länge von etwa 150 bis 200 mm hat beispielsweise eine Eigenresonanzfrequenz von etwa 8 kHz.
  • In Fig. 1 ist die Lage des Schwingungsknotens der Grundschwingung der Eigenresonanz des Schwingstabs 12 bei 24 angegeben. Wie zu erkennen ist, ist der Schwingstab 12 nicht auf der H he des Schwingungsknotens 24 eingespannt; vielmehr liegt die durch die Membran 10 bestimmte Einspannstelle in einem Abstand a vom Schwingungsknoten 24, und zwar auf der dem Behälterinneren abgewandten Seite. Von der Einspannstelle aus gemessen ragt also der größere Teil des Schwingstabs 12 in das Behälterinnere, während der kleinere Teil nach außen ragt und die piezoelektrischen Wandler 16, 17 trägt.
  • Da somit der Schwingstab 12 nicht im Schwingungsknoten eingespannt ist, ergibt die Einspannung bereits im Leerlauf, d.h. wenn der Schwingstab nicht vom Füllgut bedeckt ist, eine gewisse Dämpfung der Schwingungen. Dadurch wird der Einfluß von Stördämpfungen vermindert, die durch am Schwingstab haftendes Füllgut verursacht werden. Insbesondere kann die durch die Einspannung des Schwingstabs 12 mittels der Membran 10 verursachte Dämpfung so bemessen werden, daß sie größer als jede Bedämpfung ist, die durch eine mögliche Ansatzbildung am Schwingstab verursacht wird. Die vom Oszillator 20 zum Antriebswandler 17 gelieferte Leistung wird natürlich so groß bemessen, daß sie trotz der von der Einspannung verursachten Dämpfung eine so große Schwingungsamplitude im Schwingstab erzeugt, daß der Empfangswandler 16 ein ausreichendes Ausgangssignal liefern kann. Der Schaltpunkt der Vorrichtung kann dann so eingestellt werden, daß eine das Erreichen des vorbestimmten Füllstands anzeigende Umschaltung erst dann erfolgt, wenn eine eindeutige, von einer 1Bedeckung des Schwingstabs mit Füllgut herrührende starke Bedämpfung des Schwingstabs erfolgt.
  • Die Maßnahme, dielEinspannstelle so zu legen, daß sie auf der dem Füllgut abgewandten Seite des Schwingungsknotens 24 liegt, begünstigt die Wirkung der durch die Einspannung erzeugten Dämpfung. Wenn nämlich das dem Füllgut zugewandte Ende des Schwingstabs 12 in das Füllgut eintaucht, erfolgt nicht nur eine Dämpfung der Schwingungsamplitude, sondern auch eine Änderung der Eigenresonanzfrequenz des Schwingstabs.
  • Diese Frequenzänderung hat eine Verlagerung des Schwingungsknotens 24 zu dem ins Füllgut eintauchenden Ende hin zur Folge.
  • Der Abstand a zwischen dem Schwingungsknoten 24 und der Einspannstelle (Membran 10) wird dadurch größer. Durch die Vergrößerung des Abstands a wird die durch die Einspannung bewirkte Dämpfung größer; sie unterstützt also die durch das Eintauchen in das Füllgut verursachte Dämpfungswirkung. Läge dagegen der Schwingungsknoten 24 auf der anderen Seite der Membran 10, also im Innern der Ausnehmung 8 des Einschraubstücks 4, so würde beim Eintauchen des Schwingstabendes in das Füllgut der Schwingungsknoten zur Membran 10 hin wandern, was eine Verringerung der von der Einspannung bewirkten Dämpfung zur Folge hätte. Dadurch würde die durch das Eintauchen in das Füllgut verursachte Dämpfung teilweise wieder aufgehoben.
  • Die durch die Einspannung des Schwingstabs außerhab des Schwingungsknotens 24 verursachte Dämpfung hängt einerseits von der Art der Einspannung und andrerseits von dem Abstand a zwischen dem Schwingungsknoten 24 und der Einspannstelle ab. Mittels dieser beiden Parameter ist es möglich, die Vorrichtung an die jeweils herrschenden Bedingungen optimal anzupassen, also insbesondere an die Art des Füllguts und an die maximal zu erwartenden Ansatzbildungen.
  • Wie bereits erwähnt, liegt der Schwingungsknoten 24 bei einem vollkommen homogenen und symmetrischen Schwingstab in dessen Mitte. In der Praxis sind diese Bedingungen gewöhnlich nicht erfüllt, so daß der Schwingungsknoten der Grundschwingung gegen die Mitte versetzt sein kann. Es ist jedoch für jeden Schwingstab leicht möglich, die Lage des Schwingungsknotens festzustellen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der noch nicht mit der Membran 10 verbundene Schwingstab durch einen durchstimmbaren Generator in Eigenschwingungen ersetzt wird und dann durch Verschieben einer radialen Bedämpfung längs des Schwingstabs das Dämpfungsminimum ermittelt wird, das der Lage des Schwingungsknotens entspricht. Die Bedämpfung kann beispielsweise einfach durch Berühren mit dem Finger erfolgen.
  • Sobald die Lage des Schwingungsknotens 24 festgestellt und markiert ist, kann die Befestigung des Schwingstabs 12 in der Mittelöffnung 11 der Membran 10 im gewünschten Abstand a erfolgen. Es ist zweckmäßig, die Einspannstelle zwischen den Schwingungsknoten 24 der Grundschwingung und den auf der betreffenden Seite liegenden Schwingungsknoten der ersten Oberschwingung zu legen, beispielsweise in die Mitte zwischen diesen beiden Schwingungsknoten. In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß ein Abstand a, der etwa 5 bis 10% der Länge des Schwingstabs beträgt, gute Ergebnisse liefert.
  • Die durch die Einspannung verursachte Dämpfung hängt außer von der Lage der Einspannstelle auch von der Art der Einspannung ab, also beispielsweise von der Art der Verbindung zwischen dem Schwingstab und der Membran und von den Abmessungen der Membran. Um eine weitgehende mechanische Entkopplung des Schwingstabs 12 vom Einschraubstück 4 zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, in der Membran 10 Querschnittsverminderungen vorzusehen, die durch ringförmige Nuten 25, 26 auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Membran gebildes sein können.
  • Die Nuten 26 auf der dem Behälterinneren zugewandten Fläche der Membran werden vorzugsweise fortgelassen, wenn Ansatzbildungen zu befürchten sind.
  • Fig. 2 zeigt nähere Einzelheiten der elektronischen Schaltung, die mit der Vorrichtung 3 von Fig. 1 verbunden ist. Man erkennt in Fig. 2 wieder der Oszillator 20, der mit dem Antriebswandler 17 des Schwingstabs 12 verbunden ist, und den Verstärker 23, dessen Eingang an den Empfangswandler 16 angeschlossen ist. Der Oszillator 20 erzeugt eine Sinusschwingung, deren Frequenz auf die Eigenresonanzfrequenz des Schwingstabs 12 abgestimmt ist. An den Ausgang des Verstärkers 23 ist ein einstellbarer Widerstand 27 angeschlossen, der zur Einstellung des Schaltpunktes dient. Ein auf den einstellbaren Widerstand 27 folgender Gleichrichter 28 wandelt die vom Verstärker 23 gelieferte Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Diese Gleichspannung wird an den Eingang eines Schalttriggers 29 gelegt, der jeweils seinen Zustand ändert, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 23 den durch den einstellbaren Widerstand 27 festgelegten Schaltpunkt überschreitet bzw. unterschreitet. Der Ausgang des Schalttriggers 29 kann eine Relaisstufe 30 steuern, deren Ansprechen zur Anzeige des Erreichens des vorbestimmten Füllstandes und/oder zur Auslösung erforderlicher Schaltvorgänge benutzt werden kann, beispielsweise zum Einleiten von Füllgut in den Behälter oder zur Beendigung des Einleitens von Füllgut.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung der Vorrichtung ist die Erregungsfrequenz durch den oszillator 20 festgelegt. Wenn der Füllstab 12 in das Füllgut eintaucht, wird er nicht nur bedämpft, sondern er ändert auch seine Eigenresonanzfrequenz.
  • Da somit die Eigenresonanzfrequenz des Schwingstabs nicht mehr mit der Erregungsfrequenz übereinstimmt, entsteht eine verstärkte Dämpfungswirkung.
  • Fig. 3 zeigt eine andere Möglichkeit zur Erzeugung der Schwingungen des Schwingstabs 12. In diesem Fall ist der Wandler 17 als Empfangswandler mit dem Eingang eines Verstärkers 31 verbunden, an dessen Ausgang der Wandler 16 als Antriebswandler angeschlossen ist. Das aus dem Schwingstab 12 und den beiden Wandlern 16, 17 bestehende Schwingungssystem liegt somit im Rückkopplungskreis des Verstärkers 31. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1 wird so eingestellt, daß im Leerlauf, also bei nicht bedecktem Schwingstab 12, eine Selbsterregung von Schwingungen eintritt, trotz der Bedämpfung durch die Einspannung außerhalb des Schwingungsknotens und einer möglichen Bedämpfung durch anhaftendes Füllgut, daß aber die Schwingungen abreißen, wenn der Schwingstab 12 durch Eintauchen in das Füllgut stark gedämpft wird. In diesem Fall ist also das Vorhandensein oder Fehlen von Schwingungen das Kriterium dafür, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht oder unterschritten ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 31 kann unmittelbar an den Gleichrichter 28 angelegt werden, auf den wiederum der Schalttrigger 29 und die Relaisstufe 30 folgen.
  • Wie bereits erwähnt wurde, kann die Rolle der Wandler 16 und 17 in jedem der beiden dargestellten Fälle vertauscht werden, so daß also in Fig. 2 der Wandler 16 als Antriebselement an den Ausgang des Oszillators 20 angeschlossen ist und der Wandler 17 den mit dem Eingang des Verstärkers 23 verbundenen Empfangswandler bildet, während in Fig. 3 der Wandler 16 den mit dem Eingang des Verstärkers 31 verbundenen Empfangswandler und der Wandler 17 den an den Ausgang des Verstärkers 31 angeschlossenen Antriebswandler bilden.
  • Anstelle von piezoelektrischen Wandlern können natürlich auch andere, an sich bekannte elektroakustische bzw. elektromechanische Wandler zur Erregung und Abnahme der Schwingungen im Schwingstab verwendet werden, beispielsweise Spulen in Verbindung mit einem magnetostriktiven Schwingstab oder dergleichen.
  • Die Frequenz der Eigenschwingungen des Schwingstabs kann im Hörbereich oder im Ultraschallbereich liegen. Wie zuvor angegeben wurde, kann ein rohrförmiger Schwingstab mit einer Länge von etwa 150 bis 200 mm eine Eigenresonanzfrequenz von etwa 8 kHz haben, die also im Hörbereich liegt. Ein rohrförmiger Schwingstab mit einer Länge von etwa 60 mm hätte dagegen eine Eigenresonanzfrequenz in der Größenordnung von 26 kHz, die also im Ultraschallbereich liegt.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist es auch möglich, anstelle der getrennten Antriebs- und Empfangswandler 17, 16 nur einen einzigen piezoelektrischen Wandler zu verwenden, der entweder der Wandler 16 oder der Wandler 17 sein kann, wobei dieser Wandler dann impulsweise vom Oszillator 20 erregt wird und jeweils in den Impulspausen mit dem Verstärker 23 verbunden ist. Der einzige Wandler arbeitet dann während der Erregungsimpulse als Antriebswandler und in den Impulspausen als Empfangswandler.
  • Leerseite

Claims (21)

  1. P a t e n t a n s p r ü C h e Q Vorrichtung zur Feststellung eines vorbestimmten Füllstandes mit einem an einer Stelle zwischen seinen Enden eingespannten Schwingstab, der in solcher Höhe angeordnet ist, daß er von dem Füllgut wenigstens teilweise bedeckt ist, wenn dieses den vorbestimmten Füllstand erreicht, einer Erregeranordnung zur Erregung von Schwingungen in dem Schwingstab und mit einer Anzeigeanordnung, die anspricht, wenn die Amplituden der Schwingungen des Schwingstabs einen vorbestimmten Grenzwert unterschreiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstelle des Schwingstabs in dessen Längsrichtung gegen die Lage des Schwingungsknotens der Grundschwingung der natürlichen Eigenschwingungen des nicht vom Füllgut bedeckten Schwingstabs versetzt ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstab so angeordnet ist, daß die Einspannstelle vom Schwingungsknoten nach der dem Füllgut abgewandten Seite hin versetzt ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstelle zwischen dem Schwingungsknoten der Grundschwingung und dem Schwingungsknoten der ersten Oberschwingung liegt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstelle in der Mitte zwischen dem Schwingungsknoten der Grundschwingung und der ersten Oberschwingung liegt.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Einspannstelle vom Schwingungsknoten der Grundschwingung etwa 5 bis 10% der Länge des Schwingstabs beträgt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstab mittels einer am Rand eingespannten Membran aufgehängt ist, die eine öffnung aufweist, in der der Schwingstab an der Einspannstelle befestigt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran wenigstens auf einer Seite mit wenigstens einer den Schwingstab umgebenden, querschnittsvermindernden ringförmigen Nute versehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Membran an einem in die öffnung einer Be-Behälterwand einschraubbaren Einschraubstück befestigt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstab hohl ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Füllgut zugewandte nde des Schwingstabs durch eine Verschlußsc$»; xqrpRh,lRsFen ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Füllgut abgewandten Teil des Schwingstabs ein einen Teil der Erreger anordnung bildendes Antriebselement angebracht ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement so ausgebildet und angeordnet ist, daß es den Schwingstab in Longitudinalschwingungen versetzt.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Füllgut abgewandten Teil des Schwingstabs ein die Schwingungen des Schwingstabs abnehmendes Empfangselement angeordnet ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement und das Empfangselement jeweils durch einen piezoelektrischen Wandler gebildet ist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der eine piezoelektrische Wandler axial an der dem Füllgut abgewandten Stirnfläche des Schwingstabs angeordnet ist und daß der andere piezoelektrische Wandler in der Nähe der gleichen Stirnfläche radial an der Mantelfläche des Schwingstabs angeordnet ist.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement an den Ausgang eines Schwingungserzeugers angeschlossen ist, und daß an das Empfangselement ein Anzeigekreis angeschlossen ist.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der vom Schwingungserzeuger erzeugten Schwingungen gleich der Eigenfrequenz des Schwingstabs ist.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement mit dem Ausgang und das Empfangselement mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, der so ausgelegt ist, daß er über den das Antriebselement und das Empfangselement enthaltenden Rückkopplungskreis in selbsterregte Schwingungen gerät, wenn der Schwingstab nicht durch das Füllgut bedämpft ist.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement zugleich ein die Schwingungen des Schwingstabs abnehmendes Empfangselement bildet.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebs- und Empfangselement ein piezoelektrischer Wandler ist, der an der dem Füllgut abgewandten Stirnfläche des Schwingstabs angeordnet ist.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 19 , dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebs- und Empfangselement ein piezoelektrischer Wandler ist, der an dem dem Füllgut abgewandten Ende des Schwingstabs radial an der Mantelfläche des Schwingstabs angeordnet ist.
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