DE3011603C2 - Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Schwingungselemente (10, 12) einen gemeinsamen Drehpunkt (20) aufweisen und koaxial angeordnet sind,

e) der Drehpunkt (20) im Zentrum einer als Rückholfeder für das äußere Schwingungselement dienenden Membran (14) liegt, und

f) das innere Schwingungselement (12) stabförmig ausgebildet ist und im Bereich des Drehpunkts (20) eine als Rückholfeder wirkende Verjüngung (17) aufweist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungselemente (10, 12) gleich große Masse und einen sich auf einem gemeinsamen Radius bewegenden gemeinsamen Massenschwerpunkt (22) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Membran (14) und von der Verjüngung (17) jeweils ausgehenden Federkräfte die durch die .Schwingungselemente um den Drehpunkt (20) hervorgerufenen Drehmomente jeweils gegenseitig aufheben.

4. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Antrieb des Schwingungsgebildes als auch die Erfassung der Schv/ingungsampütude mittels clcktromechanischer Umformer in Form von piezoelektrischen Elementen (23,24) erfolgt, die diametral zueinander auf der Membran (14) befestigt sind.

5. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Schwingungselement (10) zumindest im Bereich des inneren Schwingungselements (12) rohrförmig ausgebildet ist und an der Außenseite seines freien Endes eine Paddelform aufweist.

6. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) und zumindest der oberhalb der Verjüngung (17) vorhandene Abschnitt (18) des inneren Schwingungselements (12) starr mit dem Behälter vorzugsweise über ein Einschraubstück (16, 38) verbunden sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem zwei in gleicher Resonanzfrequenz und entgegengesetztem Drehsinn schwingende, im Abstand zueinander angeordnete Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berührung des Füllguts mit dem das innere Schwingungselement umfassenden äußeren Schwingungselement gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen.

ίο Vorrichtungen dieser Art sind bekannt Es wird der Effekt ausgenutzt, daß Schwingungsenergie durch Impulsübertragung von dem Schwingungsgebilde auf das Füllgut übergeht, wodurch das zu Schwingungen angeregte Schwingungsgebilde eine Dämpfung erfährt Aus der DE-PS 5 82 760 und der GB-PS 10 13 186 sind Vorrichtungen bekannt, bei denen ein in Resonanzfrequenz zu Biegeschwingungen angeregter Schwingstab in einen zu überwachenden Behälter hineinragt und dessen Schwingungen bei der Berührung mit dem Füllgut gedämpft werden, so daß durch diese Schwingungsänderung der Füllstand angezeigt wird.

Diese bekannten Füllstandsmeßvorrichtungen zeigen jedoch den Nachteil, daß der einzelne Schwingstab beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung und damit auf die Behälterwandung ausübt, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab auf die Behälterwandung übertragen wird. Die Leerlaufverluste des Schwingungsgebildes sind dementsprechend groß. Das Schwingungsantriebssystem muß deshalb leistungsstark ausgelegt sein, um Schwingungen aufrecht zu erhalten. Das wiederum bewirkt, daß das Schwingungsgebilde beim Eintauchen in leichtere Schüttgüter, die ein geringeres Dämpfungsvermögen haben, nicht mehr hinreichend gedämpft wird. Eine genaue Überwachung ist dadurch nur schwer möglich.

Es wurde daher der Vorschlag unterbreitet, anstelle eines Schwingstabes zwei parallel nebeneinander angeordnete Schwingstäbe in den Behälter hineinragen zu lassen, die in der Einspannstelle über ein Joch miteinander verbunden sind und in gegensinnige Biegeschwingungen versetzt werden können (DE-AS 17 73 815). Neben dem erheblich größeren konstruktiven Aufbau im Vergleich zu den Meßvorrichtungen mit einem einzigen Schwingstab zeigt die als Stimmgabel ausgebildete Vorrichtung den Nachteil, daß zwischen den Schwingstäben pulverförmige oder faserige Füllgüter hängen bleiben bzw. Granulate ablagern können, so daß eine Dämpfung des Schwingungsgebildes erfolgt, obwohl ein niedriger Füllstand vorhanden ist.
so Es sind daher Vorschläge unterbreitet worden, Schwingungsgebilde mit zwei übereinander angeordneten Schwingungselemente zu versehen, die als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und zur Bestimmung des Füllstandes in Schwingungen von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind. Dabei können sich die koaxial zueinander angeordneten Schwingungselemente teilweise im Abstand umfassen. Durch entsprechende Anordnungen sind die Vorteile erzielt worden, ohne Übertragung von Schwingungsenergie zur Behälterwandung eine überaus präzise Überwachung der Füllstandshöhe in einem Behälter zu ermöglichen, ohne daß eine aufwendige Konstruktion erforderlich wurde.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß ein Einsatz zur Bestimmung des Füllstandes bei nahezu beliebigen Füllgütern — also großer und geringer Dichte — möglich ist und daß die

Detektionsempfindlichkeit nahezu unabhängig von den Einspannverhältnissen des Schwingungsgebildes ist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

d) die koaxial angeordneten Schwingtmgselemente einen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen, der

e) im Zentrum einer als Rückholfeder für das äußere Schwingungselement dienenden Membran liegt, und

f) das innere Schwingungselement stabförmig ausgebildet ist und im Bereich des Drehpunktes eine als Rückhuifeder wirkende Verjüngung aufweist

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Schwingungselemente weisen ₎₅ gleich große Massen und einen gemeinsamen Massenschwerpunkt auf. Des weiteren sind die von der Membran und von der Verjüngung jeweils ausgehenden Federkräfte so abgestimmt, daß sich die durch die Schwingungselemente um den Drehpunkt hervorgerufenen Drehmomente jeweils gegenseitig aufheben.

Das äußere Schwingungselement ist in Ausgestaltung der Erfindung zumindest in dem Bereich rohrförmig ausgebildet, in dem das innere Schwingungselement umfaßt wird, wohingegen es an der Außenseite seines freien Endes vorzugsweise eine Paddelform aufweist, um eine höhere Meßgenauigkeit zu erzielen. Sowohl die Membran für das äußere Schwingungselement als auch zumindest der oberhalb der Verjüngung vorhandene Abschnitt des inneren Schwingungselements sind mit dem Behältergehäuse starr verbunden.

Sowohl der Antrieb des Schwingungsgebildes als auch die Erfassung der Schwingungsamplitude erfolgt vorzugsweise mittels elektromechanischer Umformer in Form von piezoelektrischen Elementen, die diametral zueinander auf der Membran befestigt sind.

Durch die erfindungsgemäße Lehre wird unter anderem der Vorteil erzielt, daß eine automatische Anpassung des von dem inneren Schwingungselement ausgeübten Gegenschwingmoments an die Eigenschaften der Behälterwandung erfolgt und daß sich die erwähnte Unabhängigkeit von den Einspannverhältnissen ergibt, die sich in einer Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit äußert. Auch sei erwähnt, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen einfachen und robusten Aufbau auszeichnet.

Wird nach dem Stand der Technik bei Füllstandsmeßvorrichtungen, bei denen zwei Schwingungselemente Verwendung finden, versucht, die Übertragung von Schwingungsenet gie auf die Behälterwandung zu vermeiden bzw. zu minimieren, geht die vorliegende Erfindung von anderen Überlegungen aus. Es existieren zwei Grenzbedingungen mit jeweils unterschiedlichen physikalischen Voraussetzungen. Der praktische Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird sich nun zwischen diesen beiden Extrema abspielen. In einem Extremfall wird das Schwingungsgebilde in eine Behälterwandung mit unendlich gedachter Masse und Steifigkeit eingeschraubt. In diesem Fall ist die angestrebte Güte des vom Füllgut zum dämpfenden äußeren Schwingungselements nicht durch die Eigenschaften der Behälterwandung beeinträchtigt. Mit anderen Worten ist das innere Schwingungselement, das ein Gegenmoment aufzubringen hätte, überflüssig, da die als elastisches Element wirkende Membran vollkommen starr gelagert ist. In der anderen Grenzbedingung denkt man sich das Schwingungsgebilde unendlich elastisch frei im Raum aufgehängt, so daß das innere Schwingungselement ein gleich großes, jedoch entgegengesetzt wirkendes Schwingmoment zu dem des äußeren aufbringen muß, damit wiederum der Einschraubbereich des Schwingungsgebildes in der Behälterwandung in seiner Ruhelage verharrt Tritt dieser Fall ein, so ist gleichfalls die hohe Gütebedingung gegeben.

In der Praxis werden sich nun Einschraubbedingungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben, bei denen die erfindungsgemäße Vorrichtung teilweise eine Abstützung in der Behälterwandung erfährt und teilweise vom Gegenmoment des inneren Schwingungsgebildes gestützt wird. Durch die insbesondere den Ansprüchen zu entnehmenden Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun möglich, daß sich unter Beibehaltung einer stets gleich guten Detektionsempfindlichkeit eine automatische Anpassung an die jeweils vorliegender. Praxisbedingungen ergibt

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen erläutert Es zeigt

Fig.] ein erstes Ausführungsbeispiel und

Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist in Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter dargestellt, das aus zwei koaxial zueinander angeordneten Sclwingungselementen 10 und 12 besteht, die sich zumindest teilweise im Abstand zueinander umfassen. Dabei ist im Ausführungsbeispiel das äußere Schwingungselement 10 im Bereich des inneren Schwingungselements 12 rohrförmig, das innere Schwingungselement 12 stabförmig ausgebildet. Das das innere Schwingungselement 12 nicht umschließende freie Ende des Schwingungselementes 10 ist vorzugsweise — jedoch nicht dargestellt — flachgequetscht, um eine Paddelform zu erhalten. Dadurch ergibt sich eine höhere Empfindlichkeit bei der Überwachung eines Füllstandes.

Das äußere Schwingungselement 10 ist an einem oberen freien Ende mit einer als Rückholfeder wirkenden Membran 14 verbunden, die ihrerseits starr mit einem Einschraubteil 16 an einer Behälterwandung verbunden ist Hat die Membran 14 für das Schwingungselement 10 die Funktion einer Rückholfeder, so vollführt eine Verjüngung 17 im oberen Abschnitt des inneren Schwingungselements 12 die gleiche Wirkung. Wie die Fi g. 1 verdeutlicht, ist dabei die Verjüngung 17 in der Höhe der Membran 14 angeordnet. Oberhalb der Verjüngung 17 ist der obere Abschnitt 18 des Schwingungselements 12 starr mit dem Einschraubstück

16 verbunden. Das stabförmige Schwingungselement 12 und das rohrförmige Schwingungselement 10 sind nun derart ausgebildet, daß sie einen gemeinsamen Drehpunkt 20 aufweisen, der im Zentrum der Membran 14 und damit auch auf den zusammenfallenden Hauptachsen der Schwingungselemente 10 und 12 liegt. Außerdem weisen die Schwingungselemente 10 und 12 gleich große Massen und einen gemeinsamen Massenschwerpunkt 22. Die Membran 14 und die Verjüngung

17 sind in ihrer Federkraft so aufeinander abgestimmt, daß sich die durch das äußere Schwingungselement 10 und das innere Schwingungselement 12, also den Stab und das Rohr, um den Drehpunkt 20 hervorgerufenen DreliTiomente Ml und Af2 jeweils gegenseitig aufheben.

Durch diese Voraussetzungen ist gewährleistet, daß

die beiden Schwingungselemente 10 und 12 mit gleicher Resonanzfrequenz schwingen. Als Antriebssystem dient nun ein elektromechanischer Umformer in Form eines piezoelektrischen Elements 24, welches durch eine in der Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes pulsierende Gleichspannung erregt wird. Das piezoelektrische Element 24 ist auf einer Seite der Membran 14 angeordnet. Die pulsierende Ausdehnung in radialer Richtung des piezoelektrischen Elements bewirkt, daß eine ebensolche Ausdehnung auf der entsprechenden Seite der Membran erfolgt, wodurch das Rohr oder das äußere Schwingungselement 10 in Schwingung versetzt wird. Wird über das Einschraubteil 16 Schwingungsenergie abgeführt, so überträgt sich diese auf das stabförmige innere Schwingungselement 12, welches als Folge im entgegengesetzten Drehsinn zum äußeren Schwingungseiement iO schwingt. Dies gilt, wenn das Einschraubstück 16 bzw. die Behälterwandung nicht als unendlich steif und massebehaftet anzusehen ist. Bei unendlich großer Masse würde dagegen das innere Schwingungselement 12 in Ruhe bleiben.

Die Detektion erfolgt gleichfalls über einen elektromechanischen Umformer in Form eines piezoelektrischen Elements 23, welches diametral zu dem piezoelektrischen Element 24 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 14 angeordnet ist. Die durch die Schwingung hervorgerufene Dehnung der Membran 14 und des darauf befestigten piezoelektrischen Elements 23 erzeugt in diesem eine pulsierende Gleichspannung, die dann verschwindet, wenn das System durch Berührung des äußeren Schwingungselements 10 mit Füllgut gedämpft wird. Durch nicht dargestellte Einrichtungen erfolgt dann eine Auslösung von Anzeige- oder Schaltvorgängen. Verbindungen zwischen den piezoelektrischen Elementen 23 bzw. 24 mit einem Verstärker bzw. nachgeschalteten Schwellwertdiskriminatoren und Relais für Anzeige- oder Schaltvorgänge werden durch Bohrungen 26 und 28 im Einschraubstück 16 geführt

Nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 wird die Membran 14 von einer Basisfläche 30 gebildet, die senkrecht zu den Schwingungselementenachsen verläuft und von der zwei Zylinderabschnitte unterschiedlicher Durchmesser in entgegengesetzten Richtungen abragen, von denen einer, 32, mit dem rohrförmigen äußeren Schwingungselement 10 verbunden ist und vorzugsweise fluchtend in dieses übergeht, wohingegen der andere Abschnitt 34 mit dem Einschraubstück 16 in der Form vorzugsweise eines zylinderförmigen Vorsprungs verbunden ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weicht von dem der F i g. 1 hinsichtlich der Ausbildung der Membran 36 und dem Einschraubteil 38 ab. Ansonsten sind die anderen Elemente gleich ausgebildet, so daß die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 Verwendung finden. Eine eingehende Beschreibung erübrigt sich demzufolge.

Die Membran 36 nach Fig.2 weist gleichfalls eine senkrecht zu den Schwingungselemetenachsen verlaufende Basisfläche 40 auf, die unmittelbar mit dem Einschraubstück 38 starr verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Membran 36 und dem äußeren Schwingungselement 10 erfolgt wie bei Fig. 1 gleichfalls über einen von der Basisfläche 40 abragenden zylinderförmigen Abschnitt 42, der fluchtend in das rohrförmige Schwingungselement 10 übergeht. Die Durchführung der elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den piezoelektrischen Elementen 23 und 24 und nicht dargestellten Anzeige- und Auswerteeinrichtungen erfolgt nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 durch innerhalb des oberen oberhalb der Verjüngung 17 liegenden Abschnitts 18 des inneren stabförmig ausgebildeten Schwingungselements 12. Auch ist vorzugsweise beim Ausführungsbeispiel nach der Fig.2 das freie Ende des äußeren Schwingungselements 10 paddeiförmig ausgebildet, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter

a) mit einem zwei in gleicher Resonanzfrequenz und entgegengesetztem Drehsinn schwingende und im Abstand zueinander angeordnete Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde,

b) dessen Schwingungen bei Berührung des Füllguts mit dem das innere Schwingungselement umfassenden äußeren Schwingungselement gedämpft werden, und

c) mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen,