DE3140938C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Fest­ stellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem zwei Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenen Füllgut bedämpft werden und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige und/oder Schaltvor­ gängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 29 33 618 sind solche Vorrichtungen bekannt, bei denen zwei Schwingungs­ elemente als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und koaxial angeordnet sind und zu Schwingungen in entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind und das äußere Schwingungselement in den Behälter hineinragt.

Durch diese Anordnung der beiden Schwingungselemente und eine geeignete Massenverteilung wird erreicht, daß dieses Schwingungsgebilde nahezu keine Schwingungsenergie zur Behälterwandung hin variiert, so daß das Schwingungsgebilde als Füllstandsgrenzschalter verwendet eine sehr große Empfindlichkeit auch gegenüber sehr leichten Füllgütern zeigt und außerdem, da nur ein Schwingstab mit dem Füllgut in Berührung kommt, nicht die Fehler der Meßvorrichtungen in Form einer Stimmgabel zeigen kann, bei denen z. B. Füllgut zwischen den beiden Schwingstäben eingeklemmt werden kann.

Bei der einfachsten, in der DE-OS 29 33 618 angegebenen Ausführungsform besteht das Schwingungssystem aus zwei konzentrisch ange­ ordneten Schwingungselementen in Form von Drehschwingern. Das äußere Schwingungselement besteht aus einem Rohr, das in den Behälter hineinragt und im Zentrum einer Membran, die als Rückstellfeder dient, befestigt ist. Das innere Schwingungselement besteht aus einem Stab, der in das Rohr des äußeren Schwingungselementes hineinragt und im Zentrum einer zweiten Membran befestigt ist, die ebenfalls als Rückstellfeder dient. Die äußeren Ränder der beiden Membranen sind über ein Rohrstück starr miteinander verbunden. Da die beiden Membranen als Rückstellfeder wirksam sind, sind sie auch frequenzbestimmend und müssen, da die Frequenzen der beiden Schwingungselemente aufeinander abgestimmt sein müsssen, mit entsprechend großer Präzision hergestellt werden.

Aus der Patentschrift DE 30 11 603 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die ähnlich ist wie die aus DE-OS 29 33 618. In Unterschied zu jener ist bei dieser beim inneren Schwingungs­ element die als Rückstellfeder wirkende Membran ersetzt durch eine Verjüngung an dem inneren stabförmigen Schwingungselement. Sowohl äußeres als auch inneres Schwingungs­ element sind Drehschwinger.

Frequenzbestimmend sind u. a. beim äußeren Schwingungselement die Membrane und beim inneren Schwingungselement die Verjüngung des Stabes, die mit entsprechend großer Präzision hergestellt werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung oben geschilderter Art zu schaffen, die noch einfacher und damit preiswerter gefertigt werden kann. Insbesondere soll eine Lösung gefunden werden, bei der das innere Schwingungselement keine Membrane benötigt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Schwingungsgebilde besteht aus zwei koaxial angeordneten und gleiche Resonanzfrequenz aufweisenden Schwingungselementen, wobei das äußere Schwingungselement als Drehschwinger und das innere Schwingungselement als Biegeschwinger ausgebildet ist und wobei beide zur Bestimmung des Füllstandes zu Schwingungen in entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind. Das äußere Schwingungselement besteht aus einem Rohr, dessen in den Behälter hineinragendes Ende geschlossen ist und dessen anderes Ende im Zentrum einer als Rückhol­ feder wirkenden Membran angeordnet ist.

Das innere Schwingungselement besteht aus einem zylindrischen massiven Stab, dessen eines Ende in das Rohr des äußeren Schwingers hineinragt und dessen anderes Ende fest an einer massiven und steifen Platte eingespannt ist. Ein kurzes Rohrstück verbindet diese Platte mit dem äußeren Rand der Membran und dient zur Schwingungs­ kopplung der beiden Schwingungselemente.

Hierdurch wird erreicht, daß das innere Schwingungselement nur noch aus einem einfachen Stab besteht. Eine Membran als Rückstellfeder wird nicht mehr benötigt.

Damit wird die Vorrichtung einfacher und somit noch preiswerter in der Herstellung.

Durch geeignete Dimensionierung der beiden Schwingungs­ elemente und durch das Ineinanderschieben wird in bekannter Weise erreicht, daß die beiden Schwingungselemente gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, daß sich die Drehmomente und die Auslenkung der Massen der beiden Schwingungs­ elemente gegenseitig kompensieren, so daß das die beiden Schwingungselemente verbindende Rohrstück mitsamt der Platte, an welche der innere Schwingstab montiert ist, beim Schwin­ gungsvorgang in Ruhe bleibt und so den Schwingungsknoten des Schwingungssystems bildet. Das Schwingungssystem kann dann mit diesem Rohrstück in bekannter Weise direkt oder unter Zwischenschaltung einer schwingungsisolierenden Ringmembran in eine Behälterwandung montiert werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß Schwingungsenergie zur Behälter­ wandung hin verlorengeht.

Als Schwingungsantriebs- und Schwingungsabgriffsystem eignen sich verschiedene. Als besonders vorteilhaft hat sich ein piezoelektrisches System gezeigt, bei dem zwei piezo­ elektrische Keramikplättchen in der Schwingungsebene auf der Membran des äußeren Schwingungselementes angeordnet, vorzugsweise aufgeklebt sind. Eines der beiden Piezokeramik­ plättchen wird dabei als Schwingungsantriebssystem verwendet. Dazu wird an das Plättchen eine Wechselspannung angelegt.

Dadurch erfährt das Plättchen eine periodische Änderung seines Durchmessers, wodurch die Membran entsprechend deformiert und damit das System zu Schwingungen angeregt wird. Das andere Plättchen wird als Schwingungsabgriff­ system verwendet. Durch die periodische Deformation der Membran beim Schwingungsvorgang wirken entsprechende Kräfte auf das piezoelektrische Plättchen, so daß dieses ein Wechselspannungssignal abgibt. Dieses Signal wird in bekannter Weise einem Verstärker zugeführt und das verstärkte Signal wiederum auf das erste Keramikplättchen geleitet. Sorgt man für die richtige Phasenlage, so erhält man in bekannter Weise ein rückgekoppeltes System, das wie ein üblicher Oszillator schwingt, wenn die Ringverstärkung größer 1 ist. Das System schwingt wie bekannt automatisch auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungs­ gebildes. Wird das in den Behälter hineinragende Schwingungs­ element von Füllgut bedeckt, so erfolgt eine Dämpfung der Schwingung, wodurch ein dem Verstärker nachgeschalteter Schwellwertdiskriminator anspricht und z. B. ein Relais umschaltet. Nach Absinken des Füllstandes wird das in den Behälter hineinragende Schwingungselement wieder frei, so daß das System wieder anschwingt und der Schwellwert­ diskriminator das Relais zurückschaltet.

Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt die Schnittdarstellung eines Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung enthält zwei konzentrisch angeordnete Schwingungselemente. Das äußere in den Behälter hineinragende Schwingungselement besteht aus dem Rohr 1, das im Zentrum der Membran 3, die als Rückholfeder dient, ge­ lagert ist. Dieses Schwingungselement ist ein Drehschwinger, der Drehschwingungen ausführt um eine Achse, die im Zentrum der Membran 3 liegt. Das innere Schwingungselement besteht aus dem zylindrischen Stab 2, der in das Rohr 1 des äußeren Schwingungselementes hineinragt und auf eine massive und steife Platte 4 montiert ist. Dieser Stab 2 führt die Biege­ schwingung eines einseitig eingespannten Stabes aus. Der äußere Rand der Membran 3 ist durch das Rohrstück 5 starr mit der Platte 4 verbunden, die den Biegeschwinger­ stab 2 trägt.

Auf der Membran 3 sind in der Schwingungsebene auf der dem Behälterinnern abgewandten Seite diametral gegenüber­ liegend zwei Piezokeramikplättchen 6 und 7 angebracht. Diese beiden Plättchen wirken als Schwingungsantriebs- bzw. Schwingungsabgriffsystem. Wird auf das piezokeramische Plättchen 6 eine Wechselspannung gegeben, so verändert sich dessen Durchmesser periodisch, deformiert entsprechend die Membran 3 und regt so das äußere Schwingungselement, bestehend aus dem Rohr 1 und der Membran 3, zu Drehschwingungen in der Zeichenebene an. Durch Schwingungskopplung über das Rohr 5 wird das innere Schwingungselement, bestehend aus dem Stab 2 zur Biegeschwingungen ebenfalls in der Zeichenebene aber im umgekehrten Drehsinn, angeregt. Schwingt das System, so wird durch die periodische Deformation der Membran 3 eine Wechselkraft auf das andere piezokeramische Plättchen 7 ausgeübt, so daß dieses eine Wechselspannung abgibt, die der mechanischen Schwingung in Frequenz und Amplitude entspricht. Diese Wechselspannung wird einem Verstärker 11 zugeführt. Die verstärkte Wechsel­ spannung wird dann dem piezokeramischen Plättchen 6 zugeleitet, das als Antriebsystem wirkt. Das so erhaltene rückgekoppelte System schwingt automatisch auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungssystems, wenn die Ringverstärkung größer 1 ist. Schwingt das System, so wird ein dem Verstärker 11 nachgeschalteter Schwellwertdiskriminator 12 zum Ansprechen gebracht, wodurch ein Relais 13 umgeschaltet wird.

Wie oben schon gesagt, sind die beiden Schwingungselemente auf gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und schwingen in Gegenphase, so daß sich die durch die beiden Schwingungs­ elemente beim Schwingungsvorgang verursachten Drehmomente gegenseitig kompensieren. Außerdem sind die beiden Schwingungselemente in bekannter Weise so dimensioniert, und so weit ineinandergeschoben, daß sich die durch die Schwingungsauslenkung der Massen der beiden Schwingungselemente verursachten Wirkungen ebenfalls gegenseitig kompensieren, so daß der Schwerpunkt des gesamten Systems und das Rohr­ stück 5 mit der Platte 4 während des Schwingungsvorganges in Ruhe bleibt.

Bei dieser Dimensionierung ist zu beachten, daß das innere Schwingungselement ein Biegeschwinger ist, bei dem im Gegensatz zum Drehschwinger die Abhängigkeit der Auslenkung der Massenpunkte aus ihrer Ruhelage von ihrem Abstand zur Einspannstelle des Stabes eine nichtlineare Funktion ist. Diese Bedingungen sind z. B. in ausreichendem Maße erreicht, wenn das Rohr 1 bei Verwendung von rostfreiem Stahl bei einem Außendurchmesser von 15 mm eine Wandstärke von 1,5 mm und eine Länge von 190 mm aufweist. Die Membran 3, ebenfalls aus rostfreiem Stahl, hat bei einem Außendurchmesser von 40 mm eine Membrandicke von 2 mm. Der Schwingstab 2 aus Normalstahl hat bei einem Durchmesser von 9 mm eine Länge von 192 mm. Die beiden Schwingungselemente sind so weit ineinandergeschoben, daß die Platte 4 einen Abstand von 8 mm zu der Membran 3 hat. Das gesamte System hat dann eine Resonanzfrequenz von ca. 165 Hz und ist so gut ausge­ wogen, daß praktisch keine Schwingungsenergie zur Behälter­ wandung hin verlorengeht.

In Fig. 1 ist im weiteren gezeigt, wie das Schwingungssystem mit der Ringmembran 8 in dem Einschraubstück 9 aufgehängt ist, das wiederum in die Behälterwandung 10 eingeschraubt ist.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem zwei Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsge­ bilde, dessen Schwingungen bei Berühren von dem in dem Behälter vorhandenen Füllgut gedämpft werden und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige und/oder Schalt­ vorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwin­ gungen, wobei die Schwingungselemente koaxial angeordnet sind, gleiche Resonanzfrequenz aufweisen und in Gegen­ phase schwingen, mit den Merkmalen, daß das äußere Schwingungselement als Drehschwin­ ger ausgebildet ist und aus einem Rohr (1) besteht, das in das Behälterinnere ragt, das an einem Ende geschlossen ist und dessen anderes Ende im Zentrum einer als Rückholfeder wirkenden Membran (3) montiert ist, daß das innere Schwingungselement als Biegeschwinger ausgebildet ist und ein einseitig in eine steife Platte (4) eingespannter Stab (2) ist, der auf der Grundschwingung zu Schwingungen angeregt wird und in das Innere des Rohres (1) hineinragt, daß die Platte (4) mit einem Rohrstück (5) mit dem äußeren Rand der Membran (3) zur Schwingungskopplung der beiden Schwingungselemente verbunden ist und daß die beiden Schwingungs­ elemente so dimensioniert und so weit ineinandergeschoben sind, daß sich beim Schwingungsvorgang der beiden Schwin­ gungselemente die dadurch verursachten Drehmomente und Massenauslenkungen gegenseitig kompensieren, so daß das die beiden Schwingungselemente verbindende Rohrstück (5) den Schwingungsknoten des Systems bildet und in Ruhe bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schwingungsantrieb und zum Schwingungsabgriff je ein piezoelektrisches Keramik­ plättchen (6, 7) auf der Membran (3) angebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal des einen piezoelektrischen Keramikplättchens (7) einem Verstärker (11) zuführbar ist und daß das verstärkte Signal sowohl dem ande­ ren piezoelektrischen Keramikplättchen (6) als auch einem Schwell­ wertdiskriminator (12) mit nachgeordnetem Relais (13) zuführbar ist.