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Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbe-
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stimmten Füllstandes in einem Behälter Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem
Behälter, mit einem Füllstandsindikator-Schwingungssystem, das einen in den Behälter
hineinragenden Schwingstab aufweist, der durch einen elektromechanischen Wandler
zu Schwingungen erregbar ist, und mit einem Befestigungsteil zur Befestigung des
Füllstandsindikator-Schwingungssystems an der Behälterwand od.dgl., Bei einer solchen
Vorrichtung wird der Schwingstab durch den Wandler zu Biegeschwingungen angeregt.
Wenn der Behälter, in dessen Inneres der Schwingstab hineinragt, gefüllt wird, gelangt
der Schwingstab bei Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes mit dem Füllgut in
Kontakt. Dadurch werden die Schwingungen des Schwingstabes bedämpft. Die Bedämpfung
der Schwingungen des Schwingstabes führt zu einer Verminderung der Schwingungsamplitude
bzw. zu einer Verkürzung der Ausschwingzeit des Schwingstabes, wenn dieser durch
den
Wandler impulsförmig zu Schwingungen angeregt wird. Die Verminderung
der Schwingungsamplitude bzw. Verkürzung der Ausschwingzeit kann durch geeignete
elektronische Verarbeitungseinrichtungen erfaßt und zu einem Anzeigesignal verarbeitet
werden, welches das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes anzeigt.
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Die Schwingbewegung der Membran, an der der Schwingstab befestigt
ist, wird über die Randeinspannung der Membran auch auf den Halter übertragen, der
die Membran und den Schwingstab trägt. Dieser Halter weist gewöhnlich ein Befestigungsteil
auf, z.B. ein Einschraubteil, durch welches die Vorrichtung an dem Behälter befestigt
werden kann. Der Halter und das Einbauteil werden durch die Schwingbewegung des
Schwingstabes und der Membran ebenfalls zu Schwingungen angeregt, die auf den Behälter
übertragen werden. Umgekehrt können auf die Behälterwand einwirkende Stöße oder
Vibrationen zu einer Erregung des Schwingstabes führen.
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Während eine übertragung der Schwingbewegung der Membran auf die Behälterwand'zur
Folge hat, daß eine hohe Leistung erforderlich ist, um den Schwingstab mit einer
ausreichenden Schwingungsamplitude zu erregen, führt die Übertragung von Stößen
oder Vibrationen von dem Behälter auf den Schwingstab zu der Gefahr, daß keine zuverlässige
Meldung des Erreichens des vorbestimmten Füllstandes in dem Behälter gewährleistet
ist.
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Um der Übertragung von Kräften und Momenten von dem Schwingungssystem
auf den Behälter entgegenzuwirken, kann eine Kompensation mittels eines zusätzlichen
Kompensationsschwingungssystems vorgenommen werden, wie dies aus der DE-OS 29 33
618 bekannt ist. Die beiden Schwingungssysteme, nämlich das das Füllgut detektierende
Indikatorsystem und das für den Massenausgleich vorgesehene Kompensationssystem,
sind in ihrem Massenschwerpunkt jeweils im Zentrum einer Membran drehbar gelagert.
über ein gemeinsames Verbindungsstück zwischen
den Membranen sind
die Teilsysteme miteinander gekoppelt.
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Die Aufhängung des komplexen Schwingungssystems geschieht über eine
Fesselungsmembran zum Einschraubstück hin in der Schwerpunktebene des Indikatorsystems,
wodurch die Fesselung des Schwingungssystems im Schwingungsknoten erreicht wird.
Bei dieser bekannten Anordnung kommt nur das Indikatorsystem in Kontakt mit dem
Füllgut, so daß durch diese einseitige Kontaktierung die am Indikatorsystem entstehenden
Massenkräfte und -Momente verändert werden, also der ursprüngliche Massenausgleich
mit Hilfe des Kompensationssystems gestört wird und Restschwingungen in verstärktem
Umfang an die Behälterwand übertragen werden können. Ferner werden störende Kräfte
und Momente von der Behälterwand auf den Schwingstab übertragen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer mit besonders hoher
Zuverlässigkeit arbeitenden Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten
Füllstandes in einem Behälter, wobei die Vorrichtung insbesondere mit einer niedrigen
Erregerleistung für die Erregung des Schwingstabes auskommt und der Schwingstab
nicht durch äußere Einflüsse wie Stöße gegen die Behälterwand oder Vibrationen zu
Schwingungen angeregt wird. Die Vorrichtung soll ferner kompakt aufgebaut und universell
innerhalb einer breiten Viskositätsspanne von Füllgütern einsetzbar sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein mechanisches Schwingungsentkopplungssystem zwischen dem
Befestigungsteil der Vorrichtung und dem Füllstandsindikator-Schwingungssystem angeordnet
ist. Dieses Schwingungsentkopplungssystem sorgt für eine aktive und passive Schwingungsentkopplung,
d.h. es verhindert eine Schwingungsübertragung zwischen dem Schwingstab bzw. der
Membran und der Behälterwand in beiden Richtungen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler in bezug auf die Mitte der Membran exzentrisch an dieser angreift.
Durch diese Maßnahme wird die Membran, auf den allgemein rohrförmigen Halter bezogen,
nicht nur mit einer axialen, sondern auch mit einer radialen Schwingungskomponente
angeregt, so daß einerseits die Erregung des Schwingstabes mit einer Biegeschwingung
gefördert und andererseits eine Verminderung der axialen Schwingungskomponente der
auf den Halter übertragenen Schwingung erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
der Schwingstab mit einer von seiner Grundfrequenz verschiedenen Eigenfrequenz zu
Biege schwingungen angeregt, und zwar vorzugsweise mit seiner dritten Eigenfrequenz.
Wenn der Schwingstab durch äußere Einflüsse wie Vibrationen oder Stöße gegen die
Behälterwand zu Schwingungen angeregt wird, so erfolgt diese Anregung im wesentlichen
mit der Grundfrequenz. Bei der Auswertung der von der Vorrichtung abgegebenen Signale,
insbesondere mittels einer Verarbeitungsschaltung, die die Ausschwingzeit des Schwingstabes
erfaßt, kann leicht zwischen einer
parasitären Erregung des Schwingstabes,
die im wesentlichen mit seiner Grundfrequenz erfolgt, und einer Erregung des Schwingstabes
durch däs an den Wandler angelegte Signal unterschieden werden, die mit der dritten
Eigenfrequenz des Schwingstabes erfolgt, z.B. indem diese dritte Eigenfrequenz durch
einen Hochpaß herausgefiltert wird, so daß nur das herausgefilterte Signal ausgewertet
wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen
wird.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt einer
ersten Ausführungsform der Vorrichtung; Fig. 2 eine' im Axialschnitt gezeigte Teilansicht
einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung; Fig. 3 eine im Axialschnitt gezeigte
Teilansicht einer weiteren Ausführungsform; und Fig. 4 eine im Axialschnitt gezeigte
Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Ein Behälter 10, in den die Vorrichtung eingebaut ist, weist eine
mit Gewinde versehene Montageöffnung 12 auf, in die ein als Einschraubstück ausgebildetes
Befestigungsteil 14 der Vorrichtung eingeschraubt ist. Das Befestigungsteil 14 ist
allgemein hohlzylindrisch ausgebildet und ragt mit seinem einen Ende teilweise in
den Behälter 10 hinein. Dieses in den Behälter hineinragende Ende schließt über
ein kurzes hohlzylindrisches, dünnwandiges Teil 16 an einen ringförmigen Flansch
18 geringer Materialstärke an, der sich in einer zur Achse 20 der Vorrichtung
senkrecht
erstreckenden Ebene befindet. Dieser Flansch 18 ist an seinem ]nn(nrand mit dem
einen Fnc1e eines Vcr3iniirune3srohres 22 verbunden, dessen Achse mit der Achse
20 der Vorrichtung zusammenfällt. An seinem anderen Ende schließt das Verlängerungsrohr
22 an den Außenrand eines weiteren ringförmigen Flansches 24 an, der ebenfalls eine
geringe Dricke aufweist und sich in einer zur Achse 20 senkrechten Ebene erstreckt.
An seinem Innenrand schließt der ringförmige Flansch 24 an das eine Ende eines kurzen,
dünnwandigen rohrförmigen Teils 26 an, dessen anderes Ende in einen dickwandigen,
rohrförmigen Massekörper 28 übergeht, dessen Achse mit der Achse 20 der Vorrichtung
zusammenfällt. An seinem dem Behälterinneren zugewandten Ende weist der Massekörper
28 einen umlaufenden Kragen 30 auf, der zur Befestigung einer elastisch deformierbaren
Membran 32 dient. Die Membran 32 ist in Draufsicht kreisförmig und weist eine dem
Massekörper 28 zugewandte Verbindungsmanschette 34 auf, die z.B. durch Verschweißen
mit dem Kragen 30 verbunden ist. Zwischen dem Massekörper 28, der Verbindungsmanschette
34 und der Membran 32 ist ein Hohlraum 36 eingeschlossen, der zur Aufnahme eines
plättchenförmigen piezoelektrischen Wandlers 38 dient, der auf der dem Hohlraum
36 zugewandten Seite der Membran 32 befestigt ist. Auf der dem Behälterinneren zugewandten
Seite der Membran 32 ist ein Schwingstab 40 befestigt, dessen Achse 42 zur Achse
20 der Vorrichtung parallel, jedoch in bezug auf diese versetzt ist.
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Der direkt auf der Membran 32 befestigte piezoelektrische Wandler
38 ist ein Dickenschwinger, der nach Anregung durch ein elektrisches Ansteuersignal
die Membran 32 in eine dem Ansteuersignal entsprechende Schwingung versetzt.
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Die Mitte des piezoelektrischen Wandlers 38, d.h. das Angriffszentrum
desselben auf der Membran 32, ist in bezug auf die Achse 20 der Vorrichtung seitlich
verschoben. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform liegt dieses Angriffszentrum
in der Ebene, die durch die beiden Achsen
20, 42 definiert ist,
und zwar zwischen diesen beiden Achsen. Da der Wandler 38 somit exzentrisch auf
der Membran 32 angeordnet ist, führt die Membran 32 bei Erregung durch diesen Wandler
38 eine Schwingung aus, die neben einer axialen auch eine radiale Komponente hat.
Diese komplexe Schwingung wird auf den Schwingstab 40 in Form einer Biegeschwingung'übertragen.
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Das aus der Membran 32, dem Wandler 38 und dem Schwingstab 40 gebildete
Schwingungssystem wird mit einer Frequenz angeregt, die verschieden von der Grundfrequenz
des Schwingungssystems ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Anregung
mit der dritten Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des Schwingstabes 40.
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In einer (nicht gezeigten) Auswerteschaltung, an die der piezoelektrische
Wandler 38 angeschlossen ist, wird nach z.B. kurzzeitiger Erregung des Schwingstabes
40 zu Biegeschwingungen mit der dritten Eigenfrequenz die Ausschwingzeit dieses
Schwingstabes 40, d.h. die Zeitspanne bis zum Absinken der Schwingungsamplitude
auf einen vorbestimmten Wert, festgestellt und mit einer vorbestimmten Zeitspanne
verglichen, die der normalen Ausschwingzeit entspricht, die sich ergibt, wenn der
Schwingstab 40 nicht in ein Füllgut eintaucht. Gelangt beim Ansteigen des Füllstandes
aber der Schwingstab 40 in Berührung mit dem Füllgut, so werden seine Schwingungen
durch dieses bedämpft, und die Ausschwingzeit wird kürzer. Diese Verkürzung der
Ausschwingzeit wird in der Verarbeitungsschaltung erfaßt und zu einem Meldesignal
verarbeitet.
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Wäre der Wandler 38 konzentrisch'auf der Membran 32 befestigt, so
würde diese im wesentlichen in Axialrichtung in Schwingung versetzt, wenn sie durch
den Wandler 38 angeregt wird. über die durch den Kragen 30 und die Verbindungsmanschette
34 gebildete Einspannung der Membran 32 würden auf den Massekörper 28 relativ starke
axial
gerichtete Schwingungen übertragen, die zu einer starken axialen Komponente der
Schwingung der die Membran tragenden Teile führen würden. Derartige Schwingungen
sind schwierig zu dämpfen, so daß ein Teil von ihnen auf die Behälterwand des Behälters
10 übertragen wird. Da jedoch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Membran
32 mit einer komplexen Schwingung angetrieben wird, ist die axial gerichtete Schwingungskomponente
wesentlich geringer, so daß eine entsprechend schwächere axiale Komponente 'der
Schwingung in den die Membran und den Schwingstab tragenden Teilen auftritt.
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Um zu vermeiden, daß die verbleibenden Schwingungen der die Membran
32 und den Schwingstab 40 tragenden Teile auf die Wand des Behälters 10 übertragen
werden bzw. auf den Behälter 10 ausgeübte Stöße oder Vibrationen auf den Schwingstab
40 übertragen werden, ist zwischen dem Behälter 10 und der Randeinspannung der Membran
32 ein Schwingungsentkopplungssystem vorgesehen, das aus dem Massekörper 28, dem
Flansch 24, dem Verlängerungsrohr 22, dem Flansch 18 und dem Befestigungsteil 14
besteht. Durch geeignete Bemessung der Massen des komplexen Schwingungssystems,
insbesondere des Massekörpers 28, und des Verlängerungsrohres 22, sowie der Federkonstante
der elastisch deformierbaren Flansche 24, 18 wird das aus dem Massekörper 28, dem
Verlängerungsrohr 22 und diesen beiden Flanschen 18, 24 gebildete Schwingungssystem
auf eine Grundfrequenz gebracht, die wesentlich niedriger ist als die Grundfrequenz
des Schwingstabes 40. Je größer der Unterschied der Eigenfrequenzen dieser beiden
Schwingungssysteme ist, desto besser ist die passive und aktive Schwingungsentkopplung
zwischen diesen Schwingungssystemen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die dritte Eigenfrequenz
des Schwingstabes 40 einen Wert von einigen Kilohertz, während die Eigenresonanz-Grundfrequenz
des Schwingungsentkopplungssystems einen Wert von einigen Hundert Hertz hat.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Schwingstab 40
in bezug auf die Achse 20 der Vorrichtung nach der einen Richtung und der piezoelektrische
Wandler 38 in die entgegengesetzte Richtung seitlich versetzt.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein besonders großer Anteil der von
dem Wandler 38 erzeugten Antriebsleistung in Biegeschwingungen des Schwingstabs
40 umgesetzt.
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Während bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 die Achse
42 des Schwingstabes 40 parallel zur Achse 20 der Vorrichtung verläuft, erstreckt
sich bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Schwingstab 40 zu der Membran
32 unter einem von 90" um wenige Grad verschiedenen Winkel a. Auch bei dieser Ausführungsform
wird die Anregung von Biegewellen in dem Schwingstab 40 gefördert.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform weist die Membran 32 auf
ihrer dem Hohlraum 36 zugewandten Seite eine scheibenförmige Verdickung 44 auf,
auf deren Oberseite der Wandler 38 befestigt ist. Diese Verdickung 44 verhindert,
daß der Wandler 38 bei der-Schwingbewegung der Membran 32 Biegekräften ausgesetzt
wird, die zu einem Bruch des Keramikmaterials führen könnten, aus dem der Wandler
besteht.