DE3215040C2

DE3215040C2 - Resonanzstab

Info

Publication number: DE3215040C2
Application number: DE3215040A
Authority: DE
Inventors: Karl 7622 Schiltach Benz; Gerhard 7620 Wolfach Huber
Original assignee: Vega Grieshaber & Co 7622 Schiltach GmbH; Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1985-11-07
Also published as: JPS58190723A; US4594891A; DE3215040A1

Abstract

Eine Füllstandsmeßsonde weist durch Dämpfung eines Schwingelementes bei Berührung mit einem Füllgut den Füllstand in einem Behälter nach. Das Schwingungselement besteht aus einem Hohlkörper (16), der über einen Schaftteil (14) und einen Einschraubteil (12) mit einer Behälterwand (10) verbunden sein kann und über ein in dem Hohlkörper (16) befestigtes Querglied (20) mittels eines auf dem Querglied (20) befestigten elektromechanischen Wandlers (26) in Schwingungen in radialer Richtung versetzbar ist. Die Schwingungen werden von einem zweiten elektromechanischen Wandler (28) in ein elektrisches Signal umgesetzt, dessen Amplitude sich bei Dämpfung der Schwingungen durch Kontakt des Hohlkörpers (16) mit dem Füllgut ändert.

Description

a) das Schwingungselernent (16,20,30,34) umfaßt einen rohrförmigen Hohlkörper (16; 34);

b) im Hohlraum des Hohlkörpers (16, 34) ist ein Querglied (20,30) angeordnet;

c) das (Joerglied (20, 30) ist an zumindest zwei einander gegenüberliegenden Befestigungspunkten (22,24) der Innenwand des Hohlraums befestigt;

d) auf dem Querglied (20,30) ist der erste elektromechanische Wandler (26) befestigt;

e) das Querglied (20, 30) in durch den Wandler (26) in auf die Befestigungspunkte (22, 24) gerichtete radiale Schwingungen versetzbar.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Schwingung die Resonanzschwingung des Schwingungsi°ementes ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hoh'^örper als zylindrischer Hohlkörper (16) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung gemäß Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Querglied (20) als mit ihrer Flächennormale parallel zur Längsachse des zylindrischen Körpers (16) orientierte, am Umfang an der Innenseite des Hohlkörpers (16) befestigte Kreisscheibe (20) ausgebildet ist

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, daß der Hohlkörper (34) einen ovalen Querschnitt aufweist und das Querglied (30) als sich längs einer kurzen Querachse des Ovals erstrekkender Steg ausgebildet ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlkörper (16) an seinem einen Ende durch einen Deckel (18) abgeschlossen ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlkörper (16) an seinem anderen Ende durch einen Schaftteil (14) abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromagnetische Wandler (28) ebenfalls an dem Querglied (20,30) befestigt ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromagnetische Wandler (28) auf derselben Seite des Quergliedes (20,30) befestigt ist wie der erste elekromagnetische Wandler (26).

10. Vorrichtung gemäß Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromagnetische Wandler (28) auf der anderen Seite des Quergliedes (20, 30) befestigt ist wie der erste elektromagnetische Wandler (26).

11. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (16, 34) über einen Einschraubteil (12) mit einer Wand (10) des Behälters lösDar verbindbar ist

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hohlkörper (16,34) und dem Einschraubteil (12) ein Schaftteil ('4) angeordnet ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektromechanische Wandler (26) als Querglied (20,30) ausgebildet ist

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromechanische Wandler (28) als Querglied (20,30) ausgebildet ist.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Querglied (20, 30) etwa in der Mitte der Längserstreckung des Hohlkörpers (16,34) angeordnet ist

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektromechanische Wandler (26) upd/oder der zweite elektromechanische Wandler (28) ein piezoelektrischer Wandler sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem durch einen ersten elektromechanischen Wandler zu Schwingungen angeregten Schwingungselement, dessen Schwingungen von einem zweiten elektromechanischen Wandler in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, dessen Änderung bei Dämpfung des Schwingungselementes durch das Füllgut mittels einer Nachweisschaltung zu einer Füllstandsanzeige weiter verarbeitbar ist

Es ist beispielsweise aus der GB-PS 10 13 186 eine derartige Vorrichtung bekannt, bei der ein durch einen elektromechanischen Wandler zu Schwingungen angeregtes Schwingungselement in einen Behälter hineinragt. Ein weiterer elektromechanischer Wandler gibt in Reaktion auf die Schwingungen ein elektrisches Signal ab. Bei Berührung des Schwingungselementes mit dem Füllgut wird die Schwingung gedämpft, wodurch sich die Amplitude des elektrischen Signals ändert Die Ampiitudenänderung wird in einer geeigneten Nachweisschaltung zur Füllstandsanzeige umgeformt.
Bei dieser bekannten Füllstands-Meßvorrichtung übt jedoch das als einzelner Schwingstab ausgebildete Schwingungselement beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung und damit auf die Behälterwandung aus, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab auf die Behälterwandung übertragen wird.

Die Leerlaufverluste des Schwingungsgebildes sind dementsprechend groß und das Schwingungsantriebssystem muß daher leistungsstark ausgelegt sein, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten. Das führt dazu, daß die Dämpfung, die beim Eintauchen des Schwingelementes in leichtere Schüttgüter von letzterem auf das Schwingelement ausgeübt wird, nicht ausreicht, um eine meßtechnische Auswertbarkeit der Schwingamplitudenreduzierung zu erzielen. Eine ähnliche Vorrichtung.

y ^{3 4}

M die denselben Beschränkungen unterliegt ist aus der gungselementes Toleranzen der Resonanzfrequenz von

y DE-PS 5 82 760 bekannt nur wenigen 100 Hz, bei einer Resonanzfrequenz zwi-

U Aus der DE-AS 25 12 060 ist eine FüUstandsfeststeli- sehen 20 und 30 kHz, aufireten. Daher können von

ίϊ Vorrichtung mit einem am Boden eines rohrförmigen vornherein die den ersten elektromagnetischen Wand-

Ij Körpers befestigten piezoelektrischen Bauelement be- 5 ler erregende Schaltung und die Nachweisschaltung auf

f: kannt, bei welcher das Bauelement zusammen mit dem einen festen Wert der Resonanzfrequenz innerhalb ei-

ί;| Boden in Schwingungen versetzt wird. Die unterschied- nes Toleranzbereiches von wenigen kHz festgelegt wer-

ΐi liehe Impedanz dieses Bauelementes bei Eintauchen des den, ohne daß Abstimmvorrichtungen oder -arbeiten

1! Bodens in das Füllgut bzw. ohne das Füllgut wird elek- erforderlich sind.

trisch in ein FüUstandssignal umgesetzt Die Verwen- io In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung |· dung nur eines Piezoelementes führt dazu, daß eine der- ist der Hohlkörper als zylindrischer Hohlkörper ausge- |j artige Vorrichtung nicht besonders nachweisempfind- bildet Es können also Rohrabschnitte in Siandardab- f. Hch oder nur für wenige bestimmte Füllgüter verwend- messungen Verwendung finden.
ΐ| bar ist Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist |i Sollen nahezu beliebige Füllgüter festgestellt und soll 15 das Querglied als mit ihrer Flächennormale parallel zur Ii die Nachweisempfindlichkeit von den Einspannverhält- Längsachse des zylindrischen Körpers orientierte, am y nissen des Schwingungselemerttes annähernd unabhän- Umfang an der Innenseite des Hohlkörpers befestigte H gig sein, so sind erhöhte Aufwendungen erforderlich, Kreisscheibe ausgebildet Diese hochsymmetrische Anil wie beispielsweise bei der in der DE-OS 30 11 603 be- Ordnung ist mechanisch äußerst stabil und hat als weiteß schriebenen Vorrichtung derselben Anmelderih, bei der 20 ren Vorteil, daß zumindest der e--?te elektromechanizwei speziell angeordnete und ausgebildete Schwin- sehe Wandler auf einfache Weise aaf der Scheibe befcgungselemente verwendet werden. Für die Herstellung stigt werden kann, die dann nur noch in den zylindrisind Abstimmarbeiten erforderlich. Wenngleich diese sehen Körper geschoben und mit diesem verbunden bekannte Vorrichtung vorzüglich arbeitet, ist doch eine werden muß. Die Fertigung erfordert in diesem Fall Verringerung des erforderlichen Aufwandes erstre- 25 besonders wenig Aufwand.

benswert Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der In »Steuerungstechnik 5«, Nr. 3, 1972, Seiten 60 bis Erfindung weist der Hohlkörper einen ovalen Quer-62, ist ein Füllstandsgrenzschaiter beschrieben, der auf schnitt auf und das Querglied ist als sich längs einer dem Stimmgabelprinzip beruht Die Schwingungen ei- kurzen Querachse des Ovals erstreckender Steg ausgenes von einem Piezoelement angetriebenen Schwing- 30 bildet Die schlanke Bauform eignet sich besonders für Stabes werden über eine Membran auf einen zweiten, einen Einbau, bei dem die große Querachse des Ovals mit einem Piezoelement versehenen Schwingstab über- lotrecht angeordnet wird. Das heißt, obwohl die dem

tragen; von dem zweiten Piezoelement wird ein Signal Füllgut zum Dämpfungsangriff dargebotene Fläche par-

abgenommen, das sich bei Dämpfung der Schwingstäbe allel zur großen Querachse des Ovals größer als im Falle

durch ein Füllgut ändert Diese Vorrichtung ist mecha- 35 eines kreisförmigen Schwingelementes ist, kann recht-

nisch relativ kompliziert aufgebaut und wenig belastbar, winkelig zur Querachse in Folge der geringeren nroji-

da die empfindlichen Schwingstäbe mit dem Füllgut in zierten Fläche kaum Füllgut auf dem Schwingelement

Kontakt kommen müssen. liegen bleiben. Zudem erhöht sich die Steifigkeit des

Die Erfindung steht daher unter der Aufgabe eine Schwingelementes in Richtung des auf das Schwingele-

Füllstands-Meßvorrichtung bereitzustellen, die die bis- 40 ment fallenden Schüttgutes.

her nach dem Stand der Technik vorliegenden Be- in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der

schränkungen überwindet zylindrische Körper an einem oder an beiden Enden

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Schwin- abgeschlossen ausgeführt Hierdurch geraten die Wand-

gungselement einen rohrförmigen Hohlkörper umfaßt, ler nicht in Kontakt mit dem Füllgut und sind dadurch

daß im Hohlraum des Hohlkörpers ein Querglied ange- 45 auf optimale Weise geschützt

ordnet ist, welche« an zumindest zwei einander gegen- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsüberliegenden Befestigungspunkten der Innenwand des form der Erfindung ist der zweite elektromagnetische Hohlraumes befestigt ist, daß auf dem Querglied der Wandler ebenfalls an dem Querglied befestigt Dann erste elektromechanische Wandler befestigt ist, und daß kann das Querglied mit beiden Wandlern vorgefertigt das Querglied durch din Wandler in auf die Befesti- 50 und auf einfache Weise in den Hohlkörper eingesetzt gungspunkte gerichtete radiale Schwingungen versetz- werden,
bar ist. Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der

Aus der technischen Lehre gemäß der Erfindung re- Erfindung ist der zweite elektromagnetische Wandler sultiert eine überraschend einfache Vorrichtung, die auf derselben Seite des Quergliedes befestigt wie der aufgrund ihrer Einfachheit und Symmetrie nicht geson- 55 erste elektromagnetische Wandler, wenn dort genügend dert abgestimmt werden muß. Das gesamte Schwin- Platz vorhanden ist, oder auf der anderen Seite des gungselement ist äußerst robust und kann daher unter Quergliedes. Prinzipiell ist es sogar möglich, den zweierschwerten Bedingungen eingesetzt werden. Es ist wei- ten Wandler an nahezu beliebiger Stelle, beispielsweise terhin von großem Vorteil, daß durch die erfindungsge- innen an dem Hohlkörper oder auch dem Deckel, zu mäße Anordnung des die Schwingung erregenden er- 60 befestigen.

sten elektromechanischen Wandlers auf dem Querglied, Die Anbringung der erfindungsgemäßen Meßvor-

das geschützt in dem Hohlraum des Schwingungsele- richtung erfolgt in einer vorteilhaften Autführungsform

mentes liegt, eine mechanische Zerstörung dieses durch Einschrauben oder eine Flanschbefestigung an

Wandlers nahezu unmöglich ist. die Innenseite des Behälters, in dem der Füllstand ge-

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung 65 messen werden soli. In diesem Fall wird vorteilhafterschwingt das Schwingungselement in seiner Resonanz- weise die Ausführungsform mit einem Schaftteil an eifrequenz. Hierbei wirb* sich vorteilhaft aus, daß auf- nem Ende verwendet, wobei der Schaftteil zur lösbaren I grund der einfachen geometrischen Form des Schwin- Befestigung entsprechend ausgebildet ist. I

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine noch weitergehende Vereinfachung dadurch erzielt, daß der erste und/oder zweite elektromechanische Wandler als Ouerglied ausgebildet ist. Es sind beispielsweise scheibenförmige piezoelektrische Wandler mit einem Mittenloch kommerziell erhältlich. Derartige scheibenförmige Wandler können direkt an ihrem Umfang durch Kleben in dem Hohlkörper befestigt werden. Durch das mittig angeordnete Loch können Zuleitungs-Jrähte geführt werden. Eine solche Ausführungsform besteht nur noch aus wenigen Teilen und ist daher besonders kostengünstig zu fertigen und noch weniger störanfällig.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder zweite elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Wandler. Solche Wandler sind in einer Vielzahl von Formen und Abmessungen erhältlich, wodurch eine einfache Anpassung an den jeweils erwünschten Einsatzzweck erreicht werden kann.

Aus der voranstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen wird insbesondere der einfache hochsymmetrische Aufbau deutlich, wie er sich gemäß der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung ergibt. Damit wird eine Füllstands-Meßvorrichtung zur Verfügung gestellt, die kostengünstig zu fertigen und sowohl robust im Einsatz als auch von hoher Nachweisempfindlichkeit ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem zylindrischen und

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem ovalen Hohlkörper; bei Fig.2 zusätzlich noch ein Schnitt durch den ovalen Hohlkörper entlang der Linie ίί-ίί.

In F i g. 1 ist schematisch ein Teil einer Behälterwandung 10 dargestellt, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung lösbar über einen Einschraubteil 12 befestigt ist In den Innenraum des Behälters ragt ein mit dem Einschraubteil 12 verbundener Schaftteil 14, an dem ein zylindrischer Hohlkörper 16 von gleichem oder anderem Durchmesser wie dem des Schaftteils 14 befestigt ist. Der zylindrische Hohlkörper 16 ist mit einem an seinem dem Schaftteil 14 gegenüberliegenden Ende angebrachten Deckel 18 gegenüber dem Behälterinneren und damit dem Füllgut abgeschlossen. Im Inneren des zylindrischen Körpers 16 ist ein als Scheibe ausgebildetes Querglied 20 angebracht, dessen Flächennormale parallel zur Längsachse des zylindrischen Körpers 16 orientiert ist und das über seinen Umfang, wie hier an zwei Schnittpunkten 22 und 24 verdeutlicht, mit dem zylindrischen Körper 16 verbunden ist

Auf einer der Oberflächen der Scheibe 20 ist ein erster elektromechanischer Wandler 26 auf übliche Weise, beispielsweise durch einen geeigneten Kleber, angebracht. Von dem Wandler 26 erstreckt sich ein Leitungsstrang 27 zentrisch durch den Schaftteil 14 und den Einschraubteil 12 nach außen, wo er mit einer nicht näher dargestellten geeigneten Schaltung verbunden ist, die auf übliche Weise die Schwingungsenergie für den Wandler 26 liefert. Auf der anderen Oberfläche der Scheibe 20 ist ein zweiter elektromechanischer Wandler 28 auf gleiche oder ähnliche Weise wie der Wandler 26 befestigt Auf gleiche Weise wie die Leitung 27 geht vom Wandler 28 eine Leitung 29 nach außen, die zu einer nicht näher dargestellten Nachweisschaltung führt.

Wird nun der Wandler 26 durch Schwingungsenergie zu mechanischen Schwingungen angeregt, so versetzt er die mit ihm fest verbundene Scheibe 20 in radiale Schwingungen, die sich über die Befestigungsstellen 22, 24 auf den zylindrischen Körper 16 übertragen und eine pulsierende Bewegung des zylindrischen Körpers in radialer Richtung bewirken.

Diese Schwingung der Außenwand des zylindrischen

ίο Körpers 16 wird bei Berührung des zylindrischen Körpers 16 mit dem Füllgut gedämpft. Der zweite elektromechanische Wandler 28 gibt ein elektrisches Signal derselben Frequenz ab, mit der die Wand des zylindrischen Körpers 16 schwingt. Die Amplitude dieses elektrischen Signals ist von der Schwingungamplitude des zylindrischen Körpers 16 abhängig, bei Dämpfung der Schwingung ändert sich daher die Amplitude des von dem Wandler 28 absegebenen elektrischen SignaU Die Amplitude des elektrischen Signals wird über die Leitung 29 von einer geeigneten Nachweisschaltung überwacht, in der üblicherweise bei Über- oder Unterschreitung eines bestimmten Schwellenwerte!! eine Signalfunktion erzeugt wird, die anzeigt, ob ein Kontakt der Füllstands-Meßvorrichtung mit dem Füllgut vorliegt oder nicht

Die ir. F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der vorliegender Erfindung weist einen Einschraubteil 12 und einen direkt daran anschließenden Hohlkörper 34 auf, wobei zur Verdeutlichung des wesentlichen Kerns im Unterschied zu der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform kein Schaftteil 14 zwischen Einschraubteil und Hohlkörper 34 vorgesehen ist. Der Schaftteil 14 könnte aber auch in der Ausführungsform der F i g. 2 eingefügt oder je nach Erfordernis auch bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 weggelassen werden.

Der ovale Querschnitt des Hohlkörpers 34 gemäß der Ausführungsform nach F i g. 2 wird besonders aus der Schnittzeichnung entlang den Linien H-II in dieser Figur deutlich. Der Hohlkörper 34 ist gegenüber dem Behälterinneren durch einen Deckel 32 abgeschlossen. Für diesen Deckel gilt das bereits im Zusammenhang mit dem Deckel 18 der bereits beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung gesagte.

Das Querglied 30 ist bei dieser ovalen Ausführungsform als Steg ausgebildet. Auf jeder Seite des Steges sind jeweils ein elektromechanischer Wandler 26 und ein elektromechanischer Wandler 28 angebracht. Erhält der elektromechanische Wandler 26 über die Leitung 27 geeignet Energie zugeführt, so versetzt er den mit ihm

so befestigten Quersteg 30 in Schwingungen in Richtung der Befestigungspunkte 22 und 24. Diese Schwingungen verursachen Schwingungen der Außenwand 34, die am stärksten in der durch die Befestigungsstellen 22 und 24 gegebenen Richtung sind. Diese Schwingungen werden auf bereits beschriebene Weise von dem Wandler 28 in elektrische Signale umgeformt und über die Leitung 29 an die Nachweisschaltung gegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Feststeilung eines bestimmten Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem durch einen ersten elektromechanischen Wandler zu Schwingungen angeregten Schwingungselement, dessen Schwingungen von einem zweiten elektromechanischen Wandler in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, dessen Änderung bei Dämpfung des Schwingungselementes durch das Füllgut mittels einer Nachweisschaltung zu einer Füllstandsanzeige weiter verarbeitbar ist, gekennzeichnetdurch folgende Merkmale: