DE3143515A1 - "ultraschall-fuellstand-grenzwertgeber" - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Füllatand-Grenzwertgeber, dar im Oberbegriff dee Hauptanspruchea spezifizierten Art.

BBi einem bekannten Füllatand-Grenzwertgeber dieses Types (DE-AS 25 12 G60) ist ein Piezo-Element auf der Trennwand befestigt. Je nach dem, ob die Trennwand in Luft ader Füllgut eingetaucht ist, ändert sich die Resonanzimpedanz des PiBZO-Elementes. Die Impedanzänderung dient ala Füllstandsignal. Die Impedanzänderung ist jedoch, uienn die Resonanzfrequenz nicht genau getroffen wird, so gering, daß ein eindeutiges, ungestörtes Füllstandsignal nicht stets gewährleistet ist. Infolge der Parameterstreuung der Piezo-Elemente ist es äußerst schwierig, die Resonanzfrequenz exakt zu treffen.
Die Temperatureinsatzgrenze von Piezo-Elementen

liegt derzeit bei ca. 150 ^D C. Für höhere Füllguttemperaturen kann dieser Grenzwertgeber somit keine Verwendung finden.

Der Erfindung liBgt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstand-Grenzwertgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch für hohe Temperaturen einsetzbar ist und einen großen Signalhub zwischen ausgetauchtem und eingetauchtem Zustand ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Erfindungsmerkmale gelöst.

Durch das Uorsehen des Schwingsiebes sind die Piezo-Elemente der Temperatureinwirkung des Füllgutes nicht unmittelbar ausgesetzt. Infolge des natürlichen Temperaturgefälles im Schwingstab liegt die am Empfänger-Piezo-Element herrschende Temperatur bei entsprechender Längendimensionierung deB ersten Schwingetab-Abschnittes wesentlich unter der Füllguttemperatur. Letztere kann somit die zulässige Einsatztemperatur der Piezo-Elemente übersteigen.

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Im nicht in das Füllgut eingetauchten Zuatand schwingt der Schuiingstab, bei Resonanzerregung durch das Sender-PiezD-Element, mit seiner Eigenfrequenz.

Da es sich bei der vorgeschlagenen Sande physikalisch um einen Koppelschwinger handelt, in dem die Piazo-Elemente nur die Schwingungserreger sind, diB Dimensionierung des Schuiingatabes jedoch die Resonanzfrequenz bestimmt, iat diese unabhängig von Parameterstreuungen der Piezo-ElementBo Zudem tüird durch die üJahl der Schuiingatabmatsrialian, z. B„ uiBichgeglühter Schmiedeatahl, eine Vergrößerung der Bandbreite der RBSonanzkurve erzielt, so daß Abweichungen van der Soll-Resonanz keine groBen Auswirkungen auf die Amplituden- und Phasenlage der Empföngerapannung haben.

Da sich Sender und Empfänger beide in Schwingungsknoten befinden, liefert das EmpfSnger-Piezo-Element in einem vorgesehenen Phasenwinkel zur Sendespannung eine diB-ser entsprechende Signalspannung. Durch Eintauchen in das Füllgut ändern sich die SchwingeigenschaftBn des Schwingsiebes, wodurch sich in ihm die Schwingungaknoten varschiebBn. Hierdurch tritt gegenüber dem ausgetauchten Zustand einB beträchtliche Phasenverschiebung sowie auch Amplitudenänderung zwischen der Sender- und der Empfängerwechselspannung auf, die für eine eindeutige Signalgabe genutzt werden kann.

Die LJnteranaprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenatand.

DiB Ansprüche 2 und 3 geben die kürzeste Ausführung des zweiten und dBS dritten Schwingstab-Abachnittes an, die eine optimale Signalbildung ermöglicht. Der Anspruch k nennt die optimale Löngenformel für den ersten Schuiingstab-Abschnitt.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 5 und auch 6 wird es möglich, eine auch hohen Drücken standhaltende Trennwand vorzusehen, ohne die Meßempfindlichkait des GrenzwBrtgebars zu beeinträchtigen.

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Eine verstärkte Dämpfung des SchwingstabeB beim Eintauchen in das Füllgut ist durch die Merkmale des AnspruchBS 7 und ergänzend dee Anspruches B zu Brzielen. Darübsrhinaue ermöglichen die Ansprüche 9 und 1G einen besonders starken EnergieBntzug bzw. eine große Änderung der Resonanzfrequenz, indem die Meßkammar zwischen der Trennwand und der Hopplungsplatte wie ein Helmholtz-Resonator wirkt.

Die V/Brbindung der drei Schwingstab-Abschnitte kann in besonders einfacher Weise durch zentrale Zuganker erfolgen. Vorteilhaft ist es hierfür, wenn alle drei Abschnitte auf dem gleichen elektrischen Potential liegen, so daß sich eine elektrische Isolierung der Abschnitte gegeneinander erübrigt. Eine solche Potentialgleichheit ist durch die Anaprüche 11 und 12 erzielbar.

In der Zeichnung ist ein AusfUhrungsbeiapiel des erfindungsgemäßen FüllBtand-Grenzuiertgebers dargestellt. Fig. 1 zeigt den Füllstand-Grenzwertgeber teilweise im Schnitt und

Fig. 2 das Schwingungsdiagramm des nicht in

Füllgut eingetauchten Grenzuertgebers. Der Grenzwertgeber besitzt einen Halteflansch 1 zum Anschluß an einen nur in einem Ausschnitt seiner Seitenwand 2 dargestellten Behälter. Dies kann z. B. ein Dampfkessel sein, in dem der Füllstand des Speisewaasers zu überwachen ist.

Zentral bildet der Halteflansch 1 eine druckdichte Trennwand 3, die einen ersten Schwingstab-Abschnitt k trägt, der mit seinem einen Teil 5 z. B. waagerecht in Höhe des Soll-Speisewasserniueaus in den Behälter hineinragt und dort am freien Ende quer einB runde Hopplungsplatte 6 aufweist. Ein am Halteflanech 1 vorgesehener Stutzen 7 umgibt im Behälter den Schwingstab-Abschnitteil 5 und die Kopplungsplatte 6.

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Dem außensBitigen Ende des Schuiingstab-Abachnittßa 4 liegt ein zweiter Schuingstab-Abachnitt 8 gegenüber. Zwischen diBsen beiden aind atirnseitig zwei mechanisch in Reihe angeordnete, jedoch elektrisch parallelgeachaltete EmpfSnger-Pieza-Elernente 9, 1Q eingespannt. Schließlich iat noch ein dritter Schwingstab-Abschnitt 11 vorhanden, UJDbBi zwischen diesem und dem zweiten Schwingsieb-Abschnitt Β zuiei gleichfalls mechanisch in Reihe angeordnete und elektrisch parallelgBSchaltete Sender-Piezo-Elamente 12, 13 eingespannt sind. Das feate Einspannen der Piezo-ElBmente 9, 10, 12, 13 kann z. B. in einfacher Weise durch einen nicht dargestellten, die drei Schuingstab-Abachnitte k, 8, 11 mechanisch und elektrisch miteinander verbindenden, zentralen Zuganker erfolgen.

Die Sender-Piezo-Elemente 12, 13 bilden mit den Schuiingstab-Abachnitten 8, 11 einen ersten Koppelschwinger und die Empfänger-Piezo-Elemante 9, 10 mit den Schuiingstab-Abachnitten k, 8 einen mit dem ersten fest verbundenen, zuieiten KoppelachwingBr. Hierbei besitzt dBr dritte Schwing·= atab-Abachnitt 11 zuzüglich dem Pieza-Element 12 eine Länge Λ-Α - A- ist die Wellenlänge der vorgesehenen Resonanzfrequenz des Schuingstabesi*, 8, 11 - und der zweite Schwingstab-Abschnitt 8 mit den beiden Piezo-Elementen 9, 13 eine Gesamtlänge von T^. /2, während der erste Schuiingstab-Abschnitt k zusammen mit dem Piezo-Elament 10 einB Länge von η χ Λ- + 7V- A besitzt. Der Faktor η wird dabei so gewählt, daß an den Piezo-Elsmenten 9, 10 die Temperatur gegenüber der FUllguttemperatur infolge des natürlichen Temperaturgefälles im Schudngstab-Abschnitt *t so uieit ab-

^e gesunken iat, daß sie unterhalb der zulässigen Betriebstemperatur der Pleza-Elemente 9, 10 liegt.

Das Diagramm,Fig. 2, zeigt den Schuiingungsverlauf im SchuJingatab *+, 8, 11, wenn dieser von den Sender-Piezo-Elementen 12, 13 in Resonanz erregt uiird und die Hopplungsplatte 6 von Luft bzui. Dampf umgeben ist. DiB Kopplungsplatte 6 befindet och dann im Bereich dar maximalen Längs-

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schuiingunga-Amplitude A. Souohl die Sender- ale auch die EmpfSnger-PiBza-ElementB 9, 10, 12, 13 liegen hingegen in zwei Schwingungsknaten. Die an dan Empfänger-Piszo-Elementen 9, 10 meßbare Signalspannung ist dabei um 1B0 ^G in der Phase gegenüber der Speisespannung für die Sender-Piezo-Elements 12, 13 verschoben.

DiB Trennwand 3 liegt gleichfalls in einem Schuiingungsknoten. Hierdurch kann auf eine sehr biegeelastische Gestaltung dßr Trennwand 3 verzichtet und eine hohB Druckfestigkeit derselben erzielt uierden. Ferner sind durch die Halterung des Schwingstab-Abschnittes k über die Trennwand 3 mögliche Störeinflüsae weitgehend vermieden.

Steigt der Füllstand soweit, daß die im Stutzen 7 gebildete Meßkammer 1*+ mit Füllgut gefüllt ist, bo verändert die an die Kopplungsplatte 6 angekoppelte Masse des Füllgutes diB Schwingungseigenschaften des Schwingstabes k, 8, 11. Durch die hierdurch eintretende Änderung der Resonanzfrequenz werden die Schwingungsknoten im Schwingstab 4, 8, 11 verschoben, so daß sich folglich die Phasenverschiebung zwischen der Speisespannung der Sender-Piezo-Elemente 12, 13 und der Signalspannung der Empfänger-Piezo-Elemente 9, 10 ändert. Außerdem findet ein Energieentzug durch UltraschallabBtrahlung in die Flüssigkeit statt, durch den zusätzlich die Amplitude der Signalspannung gedämpft wird, wenn die Speisespannung konstant bleibt.

Diese Änderungen lassen sich zur Erzeugung der SignalB EINGETAUCHT und AUSGETAUCHT nutzen.

Es kann z. B. hierzu bei aufgezwungener Senderfrequenz die Änderung der Phasenverschiebung zwischen SpBisB- und Signalspannung in bekannter Weise ermittelt werden.

Ergänzend oder alternativ kann auch die Dämpfung dBr Signalspannungsamplitude gemessen werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, mit den Sender-Piezo-Elementen 12, 13 ein selbstschwingendes System aufzubauen, wobei die Anregung der Schwingungen durch die Rückkopplung mittels der Signalspannung der

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Empfänger-Piezo-Elemente 9, 10 erfolgt. Der Rückkopplungsgrad wird so gewählt, daß bei Eintauchen der Kopplungsplatte 6 in daa Speiaemaaser infolge der Dämpfung oder Phasenverschiebung die Schwingung auasetzt.

Durch die besondere Ausbildung des in das Füllgut tauchanden Abschnittjüeiles 5 ergibt sich, uenn daa Füllgut Wasser iBt, ein zusätzlicher DMmpfungseffakt und damit eine V/ergrßßarung dea Signalunterachiedea in dBn Empfänger-Piezo-Elementn 9, 10 :

Die SchallauabreitungsachuindigkBlt in Wasser beträgt etwa ein l/iertel derjenigen in Eisen.

Durch die Ausbildung des in daa üJasser tauchenden Abachnitteilea 5 gleich einem Viertel der Wellenlänge des Schuiingstabeisena uiird im eingetauchten Zustand das durch die Kopplungsplatte 6 und die Trennwand 3 eingeschlossene üJasserwoluman zu einer vollen Schwingung angeregt. Der Durchmeeaer der KopplungeplattB 6 beträgt hierbei ein Viertel der Wellenlänge dBS Schuiingstabeisena. Die Meßkammer I⁴* ujirkt mie Bin Helmholtz-Resonator, der für einen besonders starken Energieentzug aorgt und damit den Signalunterschied gegenüber dem ausgetauchten Zustand zusätzlich vergrößert.

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LiatH dtir

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Ί Schuiingatab-Abachnitt

') AbBchni tteil

6 HopplungaplattH

7 Stutzen

0 Schuilngsüib-AbBchnitt

¹J, 10 Linpföngtir-Piuzo-ElfamentQ Schuiingatab-AbBchnitt

12, 13 SBrider-Plß^a-EIlamanta. ■Wi

Claims (12)

GUSTAU F. GERDTS Bremenr den 26. Okt. 1981 GmbH & Co. KG, BREMEN : : -" " ': TSR-- Bs/Cg - 3500 - 3U3515 Ultraschall-Füllstand-Grenzwertgeber Patentansprüche

1.) Füllstand-Grenzwartgebsr mit einer Piazo-Sender-Empfangseinrichtung und einer zwischen dieser und dem das Füllgut aufnehmenden Raum angeordneten Trennwand, dadurch gekennzeichnet, daß - die Piazo-Sender-Empfängereinrichtung mindestens ein SendBr-Piezo-Element (12, 13) und mindestens ein Empfänger-Piezo-ElBment (9, 10) aufweist,

- ein mit der Trennwand (3) verbundener, aus drei Abschnitten (i*, 8, 11) bestehender Schwingstab vorgesehen ist, - das EmpfängBr-Piezoelement (9,10) stirnseitig zwischen dem mit der Trennwand (3) verbundenen Abschnitt (Ό sowie dem daran anschließenden zweiten Abschnitt (B) des Schwingstabes eingeklemmt ist,

- dae Sander-Piezo-Element (12, 13) zwischen dem zweiten

(B) und dem dritten Abschnitt (11) des Schwingstabes axial eingeklemmt ist und

- die Längen der Stababschnitts (4, B, 11) so abgestimmt sind, daß sowohl das Sender-Piezo-Element (12, 13) als auch das Empfinger-Piezo-Elemant (9, 10) in Schwingungsknoten der Resonanzschwingung des nicht durch Füllgut schwingungsgedämpften Schwingstabes (k, B, 11) liegen.

2. Füllstand-Grenzwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des dritten Schwingstab-Abschnittes (11) in der Größenordnung von einer viertel Wellenlänge der Resonanzfrequenz liegt.

3. FUHatand-GrenzwertgabBr nach einam oder beiden der Ansprüche 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daB die LMnge des zweiten Schwingstab-Abschnittes (B) in der Größenordnung von einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz liegt.

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4. Füllstand-Grenzüdertgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge des ersten Schuiingstab-AbschnittBB (4) ein Vielfaches dBr Wellenlänge der Rbbonanzfrequenz zuzüglich einer viertel Wellenlänge betrögt.

5. Füllatand-GrenzuiertgBber nach einem ader mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eratB Schuingstab-Abschnitt (4) mit seinem dem Empfänger-Pieza-Element (9, 10) fernen Teil

(5) in den Füllgut-Raum (14) hineinragt und diB Trennwand (3) in einem Schudngungaknoten des ersten Schuingstab-Ab-Bchnittee (4) liegt.

6. Füllstand-GrenzuertgBber nach Anspruch 5, d adurch gekennzeichnet, daß die Länge des in dBn Füllgut-Raum (14) hinänragenden AbBchnittBiles (5) in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz liegt.

7. FUllstand-GrenzuiertgBber nach einem oder mehrern der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dBr erste Schuingstab-Abschnitt (4) füllgutBeitig quer eins Hopplungsplatta (6) trögt.

ö. Füllgut-Grenzuiertgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsplatte (6) in einer mit dem Füllgut-Raum verbundenen, seitlieh geschlossenen Meßkammer (14) angeordnet ist.

9. Füllgut-Grenzüiertgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnittteil (5) eine solche Länge besitzt, die der Wellenlänge im FüllgutiWffiser entspricht und dBr Durchmesser der Kopplungeplatte (6) das Doppelte dieser Wellenlänge ist.

10. Füllgut-Grenzuertgeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wand (7) der Meßkammer (14) und der Kopplungaplatte (6) ein seitlicher Ringspalt vorgesehen ist, dessen Breite kleiner

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ist als die Schallmellenlänge des Füllguts© Wasser.

11. Füllatand-GrenzwartgalbBr nech einem odar mehrarsn der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei aufsinanderliegende SBnder-Piezo-Elemente (12, 13), die elektrisch parallel geschaltet sind«

12. Füllatand-Grenzujertgeber nech einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch zuiei aufeinanderliegende Empfgnger-Piezp-Elemente (9, 10), die elektrisch parallel geschaltet sind»