DE3348119C2 - Device for ascertaining and/or monitoring a predetermined filling level in a container - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/ oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Be­ hälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Buch "Standmessung in Behältern" von Martin Schroedter, VEB Verlag Technik Berlin (1965), Seite 44, ist eine Füllstands­ meßvorrichtung mit einem Schwingstab bekannt, bei welcher die durch das Eintauchen des Schwingstabs in eine Flüssigkeit ver­ ursachte Änderung der Eigenresonanzfrequenz zur Füllstandsan­ zeige verwendet wird. Vorrichtungen dieser Art eignen sich insbesondere für die Messung oder Feststellung des Füllstands von schwachdämpfenden Füllgütern, für welche die nach dem Dämpfungsprinzip arbeitenden Füllstandsmeßvorrichtungen weni­ ger gut geeignet sind. Durch eine besondere Ausbildung des mechanischen Schwingungsgebildes und der Erregungsanordnung kann erreicht werden, daß sich die Eigenresonanzfrequenz be­ reits bei geringfügigen Dichteänderungen der mitgeführten Mas­ se ändert. Es besteht aber dann die Gefahr, daß die Vorrich­ tung bereits auf sporadische Dichteänderungen anspricht, wie sie beispielsweise durch Luft- oder Gasblasen verursacht wer­ den, die sich in gasenden Flüssigkeiten um den Schwingstab bilden, oder auch durch Luftblasen, die künstlich in den Be­ hälter eingeblasen werden, wie es bei manchen Anwendungsfällen vorkommt. Dadurch kann es zu Fehlanzeigen des zu überwachenden Füllstands kommen.

Bei einer aus der DE-OS 26 32 297 bekannten Vorrichtung zur Feststellung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter wird eine Schwingplatte mittels einer Spule durch Stromimpulse zu Schwingungen angeregt. Die Schwingplatte ist so angeordnet, daß sie mit dem Füllgut in Berührung steht, wenn der vorbe­ stimmte Füllstand erreicht oder überschritten ist, so daß in­ folge der dadurch bewirkten Dämpfung sowohl die Schwingungs­ amplitude als auch die Ausschwingdauer der impulsförmig ange­ regten mechanischen Schwingungen der Schwingplatte kleiner werden. Ein Empfangswandler wandelt die mechanischen Schwin­ gungen der Schwingplatte in elektrische Signale um. Ein Ent­ scheidungskreis entscheidet einerseits in Abhängigkeit von der Amplitude und andererseits in Abhängigkeit von der Ausschwing­ dauer der elektrischen Signale, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht ist oder nicht. Um Fehlentscheidungen bei kurzzeiti­ gen Dämpfungsänderungen infolge von vorübergehenden Störer­ scheinungen zu vermeiden, ist der Entscheidungskreis so ausge­ bildet, daß er erst dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn meh­ rere gleiche Entscheidungen nacheinander aufgetreten sind.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, die bei großer An­ sprechempfindlichkeit die Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands aufgrund des Über- oder Unter­ schreitens einer Referenzfrequenz mit großer Fehlersicherheit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung wird durch den Vergleich der Periodendauer mit einer einstellbaren Referenzzeitdauer in jeder Schwingungsperiode festgestellt, ob die der Referenzzeitdauer entsprechende Referenzfrequenz über- oder unterschritten ist, doch wird ein Anzeige- und/oder Schaltvorgang erst dann ausgelöst, wenn die gleiche Feststel­ lung während einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungsperio­ den nacheinander getroffen worden ist. Dadurch wird ein An­ sprechen auf sporadische Dichteänderungen vermieden, so daß eine Anzeige nur dann erfolgt, wenn der zu überwachende Füll­ stand tatsächlich erreicht bzw. unterschritten ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimm­ ten Füllstands in einem Behälter, bei der die Erfin­ dung anwendbar ist, wobei die Vorrichtung im nicht­ eingebauten Zustand dargestellt ist,

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch die in eine Be­ hälterwand eingebaute Vorrichtung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Einschraubstück mit den Schwingstäben und der Wandleranordnung, wo­ bei die Schnittebene senkrecht zur Schnittebene von Fig. 2 steht,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Membran und das Ein­ schraubstück im Schnitt durch die Schwingstäbe längs der Schnittlinie A-B von Fig. 3,

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Schwing­ stab längs der Schnittlinie C-D von Fig. 2,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Wandlersäule,

Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung der Bestandteile der Wandlersäule,

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Schwingungs­ systems im Ruhezustand,

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Schwingungs­ systems in einem Zustand während des Schwingens,

Fig. 10 eine entsprechende schematische Darstellung des Schwingungssystems in einem anderen Zustand wäh­ rend des Schwingens,

Fig. 11 das Blockschaltbild der elektronischen Schaltung der Vorrichtung und

Fig. 12 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Frequenzauswerteschaltung.

Die in Fig. 1 in perspektivischer Darstellung und in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Vorrichtung zur Feststel­ lung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands besteht aus den folgenden Hauptbestandteilen:

• - einem Einschraubstück 10;
• - einem Schwingstabsystem 20;
• - einem Elektronikkopf 30;
• - einer Wandleranordnung 40.

Das Einschraubstück 10 dient zur Befestigung der Vorrich­ tung in der Wand des Behälters, dessen Füllstand mit der Vorrichtung überwacht werden soll. Es hat einen Gewinde­ abschnitt 11, der in die mit einem entsprechenden Innen­ gewinde versehene Öffnung der Behälterwand 9 (Fig. 2) eingeschraubt wird, und einen Sechskantkopf 12, der zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels dient, mit dem das Einschraubstück 10 unter Einfügung eines Dichtungsrings 13 gegen die Behälterwand 9 festgezogen werden kann. Üblicherweise erfolgt der Einbau der Vorrichtung in hori­ zontaler Lage an einer vertikalen Behälterwand auf der Höhe des zu überwachenden Füllstands, doch ist die Ein­ baulage der Vorrichtung beliebig; sie kann beispiels­ weise auch in vertikaler Lage an der Oberseite eines Behälters montiert werden, wenn der zu erfassende Füll­ stand der vollständigen Füllung des Behälters entspricht.

Der Innenraum 14 des Einschraubstücks 10 ist hohl und dient zur Aufnahme der Wandleranordnung 40, wie später noch im einzelnen erläutert wird.

Das Schwingstabsystem 20 wird vom dem Einschraubstück 10 auf der dem Behälterinneren zugewandten Seite getragen. Es besteht aus einer Membran 21, die das dem Behälter­ inneren zugewandte Ende des Einschraubstücks 10 verschließt und deren Rand fest mit dem Einschraubstück verbunden ist, und zwei Schwingstäben 22, 23, die am einen Ende im Abstand nebeneinander fest mit der Membran 21 ver­ bunden sind, während ihre freien Enden in den Behälter ragen. Jeder Schwingstab ist mit einer Kröpfung 24 bzw. 25 versehen, so daß die im wesentlichen parallel neben­ einanderliegenden Hauptteile der Schwingstäbe einen größeren Abstand voneinander haben als die mit der Mem­ bran 21 verbundenen Enden. Durch die Kröpfungen 24, 25 wird bewirkt, daß von der Membran 21 noch mitübertragene Reste von longitudinalen Schwingungen ebenfalls in quer zu den Schwingstäben gerichtete Schwingungen umgewandelt werden. Die Hauptteile der Schwingstäbe haben einen run­ den Querschnitt und sind an den freien Enden zugespitzt. Die gekröpften Abschnitte 24, 25 verbreitern sich zu einem größeren, unrunden Querschnitt an der Verbindungs­ stelle mit der Membran 21, wie aus der Schnittansicht von Fig. 4 erkennbar ist.

Am freien Ende jedes Schwingstabs 22, 23 ist ein Paddel 26 senkrecht zu der die Achsen der Schwingstäbe enthal­ tenden Ebene angebracht. Jedes Paddel 26 erstreckt sich vom freien Ende des Schwingstabs über eine verhältnis­ mäßig große Länge, die zwischen 40 und 60% der Länge des Schwingstabs beträgt und vorzugsweise bei etwa 50% dieser Länge liegt. Dagegen ist die Breite jedes Paddels senkrecht zur Längsachse des Schwingstabs wesentlich kleiner als die Längsausdehnung. Diese Breite der Paddel 26 und die Kröpfungen 24, 25 sind so aufeinan­ der abgestimmt, daß die Schwingstäbe 22, 23 mit den daran angebrachten Paddeln 26 durch die in der Behäl­ terwand 9 angebrachte Gewindeöffnung hindurchgeführt werden können. Trotz der dadurch bedingten, verhältnis­ mäßig geringen Breite der Paddel 26 ergibt sich infolge der großen Längsausdehnung der Paddel eine große wirk­ same Paddelfläche.

Der Rand 27 jedes Paddels ist um den ganzen Umfang herum schneidenartig zugeschärft, wie aus der Schnittansicht von Fig. 5 erkennbar ist.

Vorzugsweise sind das Einschraubstück 10, die Membran 21, die Schwingstäbe 22, 23 und die Paddel 26 als einstücki­ ges metallisches Formteil hergestellt.

Der Elektronikkopf 30 ist an dem dem Schwingstab­ system 20 entgegengesetzten Ende des Einschraubstücks 10 angebracht, so daß er im Einbauzustand (Fig. 2) außer­ halb des Behälters liegt. Er enthält die elektroni­ sche Schaltung der Vorrichtung, die von einem Gehäu­ se 31 umschlossen ist. Eine Kabeldurchführung 32 ermöglicht die Durchführung des für die Stromversorgung und Signalübertragung erforderlichen Kabels. Ein inneres Verbindungskabel 33 verbindet die im Gehäuse 31 unterge­ brachte elektronische Schaltung mit der im hohlen Innen­ raum 14 des Einschraubstücks 10 untergebrachten Wandler­ anordnung 40.

Wie Fig. 3 zeigt, enthält die Wandleranordnung 40 eine Wandlersäule 41, die zwischen der Membran 21 und einer durch stabförmige Stützen 42, 43 im Abstand von der Membran 21 gehaltenen Brücke 44 eingespannt ist. Eine in die Brücke 44 eingeschraubte Einstellschraube 45 liegt mit ihrem ballig ausgebildeten Ende oder über ein balliges Zwischenstück an der der Brücke 44 zugewandten Stirnfläche der Wandlersäule 41 an, wodurch die mecha­ nische Vorspannung der Membran 21 einstellbar ist, mit der die Wandlersäule 41 zwischen der Membran 21 und der Brücke 44 eingespannt ist.

Das der Brücke 44 entgegengesetzte Ende der stabförmi­ gen Stütze 42 ist etwa in der Mitte des mit dem Schwing­ stab 22 verbundenen Flächenbereichs der Membran 21 starr mit dem Schwingstab 22 verbunden. In gleicher Weise ist die stabförmige Stütze 43 etwa in der Mitte des mit dem Schwingstab 23 verbundenen Flächenbereichs der Membran 21 starr mit dem Schwingstab verbunden. Die beiden stab­ förmigen Stützen 42 und 43 sind biegeelastisch ausgebil­ det, so daß sie sich quer zu ihrer Längsrichtung ela­ stisch durchbiegen können.

Der Aufbau der Wandlersäule 41 ist in Fig. 6 in einer schematischen Seitenansicht und in Fig. 7 in einer aus­ einandergezogenen perspektivischen Darstellung gezeigt. Sie besteht aus einem Stapel aus den folgenden Bestand­ teilen, beginnend an der Brücke 44:

• - einem Metallstempel 50;
• - einer Isolierscheibe 51;
• - einer Elektrode 52;
• - einer Isolierscheibe 53;
• - einer Elektrode 54;
• - einem piezoelektrischen Element 55;
• - einer Elektrode 56;
• - einer Isolierscheibe 57;
• - einer Elektrode 58;
• - einem piezoelektrischen Element 59;
• - einer Elektrode 60;
• - einem piezoelektrischen Element 61;
• - einer Elektrode 62;
• - einer Isolierscheibe 63;
• - einem Metallstempel 64.

Alle Bestandteile des Stapels haben vorzugsweise den gleichen Querschnitt, der bei dem dargestellten Bei­ spiel (Fig. 7) kreisrund ist, so daß die Wandlersäule zylindrisch ist. An jeder Elektrode ist jedoch eine aus dem Stapel herausragende Lötfahne angeformt. Die Metallstempel 50 und 64 bestehen vorzugsweise aus Messing und dienen einerseits als Abstandsstücke zur Erzielung der erforderlichen Länge der Wandlersäule zwischen der Membran 21 und der Brücke 44 und anderer­ seits zur Übertragung der Kräfte auf die übrigen Be­ standteile des Stapels. Insbesondere besteht die Auf­ gabe des Metallstempels 50 darin, daß der von der Ein­ stellschraube 45 erzeugte Flächendruck parallel auf die piezoelektrischen Elemente 55, 59, 61 übertragen wird, damit eine Biegung der sehr bruchempfindlichen piezoelektrischen Elemente ausgeschlossen wird. Der Me­ tallstempel 64 bewirkt, daß die von der Vorspannung und den Schwingungen stammenden Verbiegungen der Mem­ bran 21 nicht auf die piezoelektrischen Elemente 55, 59, 61 übertragen werden; auch diese Maßnahme verhin­ dert, daß die bruchempfindlichen piezoelektrischen Elemente auf Biegung beansprucht werden. Außerdem kann durch die Verwendung des Metallstempels 64 auf eine präzise Bearbeitung der Rückseite der Membran 21 ver­ zichtet werden, die sonst ebenfalls zur Verringerung der Bruchgefahr der piezoelektrischen Elemente notwen­ dig wäre.

Die Wandlersäule 41 ist so angeordnet, daß die der Mem­ bran 21 zugewandte Stirnfläche an dem zwischen den End­ flächen der Schwingstäbe 22 und 23 liegenden freien Teil der Membran anliegt. Diese Stirnfläche ist so bemessen, daß ihr Durchmesser D (Fig. 6) nicht größer ist als der Abstand d zwischen den mit der Membran 21 verbundenen Enden der Schwingstäbe 22 und 23 (Fig. 4); vorzugsweise ist der Durchmesser D jedoch gleich diesem Abstand d oder nur wenig kleiner. Mit anderen Worten: Die an der Membran 21 anliegende Stirnfläche des Metallstempels 64 soll den freien Zwischenraum zwischen den Enden der Schwingstäbe 22 und 23 möglichst vollständig überspannen, die Endflächen der Schwingstäbe jedoch nicht überlappen. Bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser D gleich dem Durchmesser aller Bestandteile des zylindri­ schen Stapels. Bei größeren, kleineren, unrunden oder ungleichförmigen Querschnitten der Stapelbestandteile ist es jedoch stets möglich, den Metallstempel 64 so zu formen, daß die vorstehende Bedingung erfüllt ist.

Die piezoelektrischen Elemente 59 und 61 bilden zusammen mit den Elektroden 58, 60, 62 den Erregungswandler 65, der die Aufgabe hat, eine von der elektronischen Schaltung gelieferte Wechselspannung in mechanische Schwingungen der Schwingstäbe 22 und 23 umzuwandeln. Die beiden Elektroden 58 und 62 sind mit dem einen Pol der Wechsel­ spannungsquelle, vorzugsweise Masse, verbunden, und die Elektrode 60 ist an den anderen Pol der Wechselspannungs­ quelle angeschlossen. Die piezoelektrischen Elemente 59 und 61 sind daher elektrisch parallel und mechanisch in Serie geschaltet. Infolge der angelegten Wechselspannung erfährt jedes der piezoelektrischen Elemente 59 und 61 eine Verformung (Dickenänderung) in der Achsrichtung der Wandlersäule 41, die der angelegten Spannung proportio­ nal ist. Die mechanischen Verformungen der piezoelektri­ schen Elemente 59 und 61 addieren sich, so daß für eine gegebene Größe der angelegten Wechselspannung eine Ver­ doppelung der Längenänderung der Wandlersäule 41 erzielt wird.

Das piezoelektrische Element 55 bildet zusammen mit den Elektroden 54 und 56 den Empfangswandler 66, der die Auf­ gabe hat, die mechanischen Schwingungen des Schwingstab­ systems 20 in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwan­ deln, das der im Elektronikkopf 30 enthaltenen elektro­ nischen Schaltung zugeführt wird. Die Elektrode 52 liegt an Masse und dient zur Abschirmung des Empfangswand­ lers 66. Zur Abschirmung des Empfangswandlers 66 auf der anderen Seite wird die Tatsache ausgenutzt, daß die benachbarte Elektrode 58 des Erregungswandlers 65 an Masse liegt und somit zugleich als Abschirmelektrode für den Empfangswandler verwendet werden kann. Dadurch erübrigt sich die Anbringung einer zusätzlichen Abschirm­ elektrode auf dieser Seite des Empfangswandlers.

Die Funktionsweise der Wandleranordnung 40 soll anhand der stark schematisierten Darstellungen von Fig. 8, 9 und 10 erläutert werden. Diese Figuren zeigen sehr ver­ einfacht und übertrieben die Verformungen und Lageände­ rungen der Teile unter der Einwirkung der Vorspannung und der an den Erregungswandler angelegten Wechselspan­ nung. In Fig. 8 sind die Teile im Ruhezustand gezeigt. Infolge der durch die Einstellschraube 45 erzeugten Vor­ spannung ist die Membran 21 zwischen den Stützen 42 und 43 nach außen durchgebogen, wodurch die Schwingstäbe 22 und 23 nach außen verschwenkt und die biegeelastischen stabförmigen Stützen 42 und 43 etwas nach innen durchge­ bogen sind. Die Vorspannkraft wird somit von der Membran 21 und den stabförmigen Stützen 42 und 43 elastisch auf­ genommen, und die Federwirkung dieser Teile gleicht auch unterschiedliche Wärmeausdehnungen aus.

Fig. 9 zeigt den Zustand der Teile, wenn die Länge der Wandlersäule 41 infolge der an den Erregungswandler 55 angelegten Wechselspannung gegenüber ihrer Ruhelänge vergrößert ist. Die vorgespannte Membran 21 ist noch weiter nach außen durchgebogen, wodurch die Schwing­ stäbe 22 und 23 weiter nach außen verschwenkt und die stabförmigen Stützen 42 und 43 stärker nach innen durch­ gebogen werden.

Wenn dagegen in der anderen Halbperiode der Wechselspan­ nung die Länge der Wandlersäule 41 gegenüber ihrer Ruhe­ länge verkürzt wird, können die Schwingstäbe 22 und 23 nach innen schwingen, während die Durchbiegungen der Membran 21 und der biegeelastischen Stützen 42 und 43 zunächst zurückgehen und dann, je nach der eingestellten Vorspannung, in entgegengesetzte Durchbiegungen überge­ hen können, wie in Fig. 10 dargestellt ist.

Es ist zu beachten, daß die Verformungen in den Fig. 8, 9 und 10 sehr übertrieben dargestellt sind; sie sind in Wirklichkeit sehr klein und können beispielsweise in der Größenordnung von einigen µm liegen.

Die Darstellungen von Fig. 8 und 9 lassen erkennen, daß durch die Wirkung des Erregungswandlers in der Wandler­ säule 41 die Schwingstäbe 22 und 23 in gegensinnige Schwingungen quer zu ihren Längsachsen in der diese Längs­ achsen enthaltenden gemeinsamen Ebene versetzt werden. Die dargestellte Ausbildung und Bemessung der Teile ergibt eine große Übersetzungswirkung, so daß die zur Erzielung einer ausreichenden Schwingungsamplitude erforderliche Verformung der piezoelektrischen Elemente sehr klein ist. Infolge der Gegensinnigkeit der Schwingungen heben sich die von jedem Schwingstab auf die Einspannung der Membran 21 ausgeübten Wechselkräfte gegenseitig auf, so daß keine Schwingungsenergie durch Übertragung auf das Einschraub­ stück 10 und die Behälterwand 9 verlorengeht.

Das als Rückholfeder dienende Federsystem des mechani­ schen Schwingungssystems ist durch die Membran 21 in Verbindung mit den biegeelastischen stabförmigen Stützen 42 und 43 gebildet. Die Masse des mechanischen Schwin­ gungssystems besteht einerseits aus der Masse der Schwing­ stäbe 22 und 23 und andererseits aus der von den Schwing­ stäben bei der Schwingbewegung mitgenommenen Masse des umgebenden Mediums. Diese mitgenommene Masse wird durch die quer zu der Schwingungsrichtung angeordneten Paddel 26 vergrößert. Die Eigenresonanzfrequenz des mechani­ schen Schwingungssystems hängt einerseits von der Feder­ konstante des Federsystems ab, die als konstant angenom­ men werden kann, und andererseits von der Gesamtmasse, die in Abhängigkeit von der mitgeführten Masse veränder­ lich ist. Wenn sich die Schwingstäbe 22, 23 mit ihren Paddeln in Luft befinden, ist die mitgeführte Masse der Luft vernachlässigbar, und es stellt sich eine Eigen­ resonanzfrequenz ein, die im wesentlichen durch die Masse der Schwingstäbe bestimmt ist. Wenn dagegen die Schwingstäbe mit ihren Paddeln in ein Füllgut eintau­ chen, ändert sich die mitgeführte Masse und damit die Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Schwingungssystems. Die dargestellte Form der Paddel ergibt unter Berücksich­ tigung der durch das Einschraubloch vorgegebenen Beschrän­ kung der Breite die optimale Wirkung. Es hat sich gezeigt, daß die durch eine weitere Verlängerung der Paddel über 60% der Schwingstablänge hinaus erzielte Flächenvergröße­ rung keine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der Fre­ quenzänderung mehr ergibt.

Die Erregung der Schwingungen des mechanischen Schwin­ gungssystems erfolgt stets mit seiner Eigenresonanzfre­ quenz, auch wenn diese sich ändert. Dies geschieht nach einem üblichen Verfahren dadurch, daß das mechanische Schwingungssystem selbst als frequenzbestimmendes Glied eines elektrischen Schwingungserzeugers dient. Zu diesem Zweck sind die beiden Elektroden 54 und 56 des Empfangs­ wandlers mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden, an dessen Ausgangsklemmen einerseits die Elektroden 58, 62 und andererseits die Elektrode 60 des Erregungswandlers angeschlossen sind. Die Frequenz der an den Erregungs­ wandler angelegten Wechselspannung folgt daher stets der Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Schwingungssystems.

Es hat sich gezeigt, daß sich mit dem beschriebenen Auf­ bau des Schwingstabsystems 20 und der Wandleranordnung 40 bereits bei sehr geringfügigen Änderungen der mitge­ führten Masse eine ausgeprägte Änderung der Eigenreso­ nanzfrequenz ergibt. Diese ausgeprägte Änderung der Eigen­ resonanzfrequenz tritt auch bei sehr kleinen Schwingungs­ amplituden der Schwingstäbe auf. Das Schwingstabsystem wird daher vorzugsweise mit einer sehr kleinen Schwin­ gungsamplitude betrieben, die im wesentlichen konstant bleibt, und die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Empfangswandlers gesteuerte Einrichtung zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen ist so ausgebildet, daß sie auf Frequenzänderungen anspricht. Dadurch ergibt sich eine Reihe von beträchtlichen Vorteilen:

• 1. Um die sehr kleinen Schwingungsamplituden der Schwing­ stäbe zu erzeugen, genügt eine verhältnismäßig kleine Wechselspannung zur Ansteuerung des Erregungswandlers. Es hat sich gezeigt, daß im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen gleicher Größenordnung, für die eine Anregungsspannung von 220 V erforderlich war, mit der beschriebenen Ausbildung eine Anregungsspannung von 10 V zur Erzielung der gleichen Ansprechempfindlich­ keit genügt. Die niedrige Anregungsspannung ist ins­ besondere bei Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen vorteilhaft.
• 2. Verbunden mit der niedrigen Anregungsspannung und der kleinen Schwingungsamplitude ist eine geringe erfor­ derliche Anregungsleistung, die den Aufbau der elek­ tronischen Schaltungen vereinfacht und verbilligt.
• 3. Da für die Erzielung einer erkennbaren Frequenzände­ rung schon sehr geringe Änderungen der mitgeführten Masse genügen, spricht die Vorrichtung auf sehr kleine Änderungen der Dichte des Umgebungsmediums an. Dadurch ist es möglich, Füllstände von Füllgütern sehr gerin­ ger Dichte oder Übergänge zwischen Füllgütern mit sehr kleinen Dichteunterschieden zu erkennen und zu über­ wachen. Ferner kann der Ansprechpunkt sehr genau ein­ gestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, den Übergang zwischen Luft und einem Schaum oder zwi­ schen einem Schaum und einer Flüssigkeit zu detektie­ ren.
• 4. Auf der anderen Seite hat es sich gezeigt, daß die Änderungen der Eigenresonanzfrequenz weitgehend un­ abhängig von der Viskosität des Füllguts sind. Dies beruht in erster Linie auf der zugeschärften Form der Umfangskanten der Paddel 26. Die Viskositäts­ unabhängigkeit ist eine sehr erwünschte Eigenschaft, weil sich bei vielen Füllgütern die Viskosität des Füllguts, beispielsweise in Abhängigkeit von Tempera­ turschwankungen, in weiten Grenzen ändern kann; es ist natürlich nicht zulässig, daß die Vorrichtung bei Viskositätsänderungen irrtümlich eine Änderung des Füllstands anzeigt.
• 5. Die kleinen Schwingungsamplituden, mit denen die be­ schriebene Vorrichtung betrieben werden kann, ergeben weiterhin den Vorteil, daß alle Bestandteile mecha­ nisch wenig beansprucht werden, was die Konstruktion vereinfacht und verbilligt.
• 6. Schließlich ergibt die Auswertung der Frequenzände­ rungen eine erhöhte Eigensicherheit der Vorrichtung, weil in jedem Betriebszustand Schwingungen vorhanden sind, die sich lediglich durch ihre Frequenz unter­ scheiden. Ein Aussetzen der Schwingungen zeigt daher einen Ausfall der Vorrichtung.

Fig. 11 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbei­ spiels der im Elektronikkopf 30 angeordneten elektroni­ schen Schaltung. In diesem Schaltbild ist wieder der Empfangswandler 66 mit dem piezoelektrischen Element 55 und den Elektroden 54 und 56 sowie der Erregungswandler 65 mit den piezoelektrischen Elementen 59, 61 und den Elektro­ den 58, 60, 62 dargestellt.

Die Elektroden 54, 56 des Empfangswandlers 66 sind mit den beiden Eingangsklemmen eines Verstärkers 70 verbunden. An den Ausgang des Verstärkers 70 ist ein Tiefpaß 71 angeschlossen, dessen Durchlaßbereich dem Bereich der Grundfrequenzen der Schwingungen des mechanischen Schwin­ gungssystems entspricht, während er Harmonische dieser Grundfrequenzen sperrt. Der Tiefpaß 71 stellt sicher, daß sich das Schwingungssystem nur auf einer Grundfre­ quenz erregen kann, und verhindert eine Selbsterregung auf einer Harmonischen.

Der Ausgang des Tiefpasses 71 ist mit dem Eingang eines Leistungsverstärkers 72 verbunden, an dessen Ausgang der Erregungswandler 65 angeschlossen ist. Der Leistungs­ verstärker 72 liefert somit zum Erregungswandler eine Wechselspannung, die die gleiche Frequenz wie das Aus­ gangssignal des Empfangswandlers hat. Da der Erregungs­ wandler über das mechanische Schwingungssystem mit dem Empfangswandler gekoppelt ist, erregt sich das Schwin­ gungssystem stets mit der Eigenresonanzfrequenz des me­ chanischen Schwingungssystems.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Lei­ stungsverstärker 72 stark übersteuert, so daß die von ihm abgegebene Wechselspannung nahezu rechteckförmig ist. Dadurch wird der Erregungswandler stets mit der gleichen Spannungsamplitude angesteuert, auch wenn die Schwingstäbe durch ein Füllgut stark bedämpft sind. Außerdem wird die digitale Signalverarbeitung in den angeschlossenen Schaltungen erleichtert.

An den Ausgang des Leistungsverstärkers 72 ist der Ein­ gang einer Frequenzauswerteschaltung 73 angeschlossen, die feststellt, ob die Frequenz der Ausgangswechselspan­ nung des Leistungsverstärkers 72 über oder unter einer einstellbaren Referenzfrequenz liegt. Das Ausgangssignal der Frequenzauswerteschaltung 73 nimmt den einen oder den anderen von zwei Werten an, je nachdem, ob die Aus­ gangsfrequenz des Leistungsverstärkers 72 über oder unter der eingestellten Referenzfrequenz liegt. Dadurch wird angezeigt, ob die Schwingstäbe in Luft (bzw. einem Füllgut geringer Dichte) oder in einem Füllgut größerer Dichte schwingen.

Der Ausgang der Frequenzauswerteschaltung 73 ist mit dem Eingang einer Minimum-Maximum-Umschaltanordnung 74 verbun­ den, die entweder auf Minimum-Überwachung oder auf Maximum- Überwachung umschaltbar ist. Je nachdem, ob das Schwingstab­ system zur Überwachung des minimalen oder des maximalen Füll­ stands in einem Behälter verwendet wird, bestehen näm­ lich unterschiedliche Bedingungen. Bei der Überwachung des maximalen Füllstands schwingt das Schwingstabsystem normalerweise in Luft, und der kritische Zustand wird erreicht, wenn das Schwingstabsystem vom Füllgut bedeckt wird. In diesem Fall muß daher ein Schaltvorgang oder eine Anzeige ausgelöst werden, wenn die Schwingungsfre­ quenz unter die eingestellte Referenzfrequenz fällt. Bei der Minimum-Überwachung schwingt das Schwingstab­ system normalerweise im Füllgut, und der kritische Zu­ stand tritt ein, wenn die Schwingstäbe nicht mehr vom Füllgut bedeckt sind und in Luft schwingen. In diesem Fall muß daher ein Schaltvorgang oder eine Anzeige aus­ gelöst werden, wenn die Schwingungsfrequenz die einge­ stellte Referenzfrequenz übersteigt. Die Minimum-Maximum- Umschaltanordnung 74 ist so aufgebaut, daß sie je nach ihrer Einstellung im einen oder im anderen Fall ein Aus­ gangssignal abgibt.

Das Ausgangssignal der Minimum-Maximum-Umschaltanordnung 74 wird nach Verstärkung und Stabilisierung in einer Endstufe 76 einem Verbraucher 77 zugeführt, beispiels­ weise einem Relais oder einer Anzeigevorrichtung.

In Fig. 12 ist das Blockschaltbild einer Ausführungs­ form der Frequenzauswerteschaltung 73 in näheren Ein­ zelheiten dargestellt.

Die vom Ausgang des Leistungsverstärkers 72 kommende, gegebenenfalls bereits nahezu rechteckförmige Wechsel­ spannung wird einem Impulsformer 80 zugeführt, an dessen Ausgang ein Frequenzteiler 81 mit dem Teilerverhältnis 1:2 angeschlossen ist. Am Ausgang des Frequenzteilers 81 besteht somit ein sauberes Rechtecksignal mit dem Tast­ verhältnis 1:2, dessen Frequenz gleich der Hälfte der Schwingungsfrequenz des Schwingstabsystems ist. Dieses Rechtecksignal wird dem Auslöseeingang eines wiedertrig­ gerbaren Monoflops 82 zugeführt, dessen Haltezeit ein­ stellbar ist, wie symbolisch durch einen Einstellwieder­ stand 83 angedeutet ist. Durch die Einstellung der Hal­ tezeit des Monoflops 82 wird die Referenzfrequenz defi­ niert.

Der Ausgang des wiedertriggerbaren Monoflops 82 ist mit dem D-Eingang eines D-Flipflops 84 verbunden, das an seinem Takteingang CL die Rechteckimpulse vom Ausgang des Frequenzteilers 81 empfängt. Bekanntlich übernimmt ein D-Flipflop bei einer bestimmten Impulsflanke jedes an den Takteingang CL angelegten Taktimpulses den im gleichen Zeitpunkt am D-Eingang anliegenden Signalwert.

Das D-Flipflop 84 bildet daher eine Zeitvergleichsschal­ tung, die feststellt, ob die Folgeperiode der vom Fre­ quenzteiler 81 abgegebenen Rechteckimpulse über oder unter einem Wert liegt, der durch die im Monoflop 82 eingestellte Haltezeit bestimmt ist. Wenn nämlich diese Folgeperiode kürzer als die eingestellte Haltezeit ist, wird das Monoflop durch jeden vom Frequenzteiler 81 ab­ gegebenen Rechteckimpuls neu getriggert, bevor es in den Ruhezustand zurückgekehrt ist. Das Ausgangssignal des Monoflops 82 bleibt dann dauernd auf dem Signalwert "1". In diesem Fall liegt bei jedem dem Takteingang CL des D-Flipflops zugeführten Taktimpuls am D-Eingang der Signalwert "1" an, so daß das Flipflop 84 stets im Ar­ beitszustand (oder Zustand "1") bleibt, in welchem am Ausgang der Signalwert "0" besteht.

Wenn dagegen die Folgeperiode der vom Frequenzteiler 81 abgegebenen Rechteckimpulse länger ist als die Haltezeit des wiedertriggerbaren Monoflops 82, kehrt das Monoflop vor dem Eintreffen des nächsten Auslöseimpulses in den Ruhezustand zurück. Da der gleiche Ausgangsimpuls des Frequenzteilers 81 auch dem Takteingang CL des Flipflops 84 zugeführt wird, findet dieser Taktimpuls am D-Eingang den Signalwert "0" vor, so daß das Flipflop 84 in den Ruhezustand (oder Zustand "0") zurückgestellt wird. Am Ausgang besteht dann der Signalwert "1", der anzeigt, daß die Periode des Rechteck-Ausgangssignals des Fre­ quenzteilers 81 größer als die im Monoflop 82 eingestell­ te Haltezeit ist, was gleichbedeutend damit ist, daß die Schwingungsfrequenz des Schwingstabsystems unter der eingestellten Referenzfrequenz liegt.

An den Ausgang des D-Flipflops 84 ist eine Zeitverzö­ gerungsschaltung 85 angeschlossen, die bewirkt, daß die nachgeschalteten Anordnungen nicht sofort auf das erste Ausgangssignal des D-Flipflops 84 ansprechen, sondern erst dann, wenn das Unterschreiten der eingestellten Referenzfrequenz für eine bestimmte Mindestanzahl von aufeinanderfolgenden Perioden festgestellt worden ist. Dadurch soll verhindert werden, daß durch sporadische Störungen Schaltvorgänge oder Anzeigen ausgelöst werden. Solche sporadischen Störungen werden beispielsweise durch Luft- oder Gasblasen verursacht, die sich in gasenden Flüssigkeiten kurzzeitig um die Schwingstäbe bilden, oder auch durch Luftblasen, die künstlich in den Behälter eingeblasen werden, wie es bei manchen Anwen­ dungsfällen vorkommt.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12 ist die Ansprech­ verzögerungsschaltung 85 durch ein RC-Glied mit einem Widerstand 86 und einem Kondensator 87 gebildet. Wenn am Ausgang eine Spannung mit dem Signalwert "1" er­ scheint, lädt sich der Kondensator 87 mit der Zeitkon­ stante des RC-Glieds auf diese Spannung auf. Ein an den Ausgang des RC-Glieds angeschlossener Trigger 88 spricht an, wenn die Ladespannung des Kondensators 87 einen vorbestimmten Ansprech-Schwellenwert erreicht, der beispielsweise ²/₃ U _B betragen kann (U _B = Stromversor­ gungsspannung), und er fällt wieder ab, wenn die Lade­ spannung des Kondensators 87 unter einen niedrigeren Abfall-Schwellenwert fällt, der beispielsweise ¹/₃ U _B betragen kann. Die Zeitkonstante des RC-Glieds 85 ist so gewählt, daß der Ansprech-Schwellenwert erst dann erreicht wird, wenn die Spannung am Ausgang für die Dauer mehrerer Perioden der Ausgangsspannung des Fre­ quenzteilers 81 den Wert "1" hatte. Wenn das Flipflop 84 wieder in den Arbeitszustand geht, bevor die Ladespannung am Kondensator 87 den Ansprech-Schwellenwert erreicht hat, geht die Spannung am Ausgang wieder auf den Wert "0" zurück, und der Kondensator 87 entlädt sich wieder.

Zur Erzielung eines stabilen Schaltverhaltens ist fer­ ner der Ausgang des Triggers 88 mit einem Eingang des wiedertriggerbaren Monoflops 82 verbunden. Wenn der Trigger 88 ausgelöst wird, so daß er eine Ausgangsspan­ nung zu der nachgeschalteten Minimum-Maximum-Umschalt­ anordnung 74 liefert, gelangt diese Ausgangsspannung auch zum Monoflop 82, in welchem sie eine Verkürzung der eingestellten Haltezeit bewirkt. Dadurch wird ver­ hindert, daß geringfügige Frequenzschwankungen des vom Frequenzteiler 81 abgegebenen Rechtecksignals abwech­ selnd zu einer Überschreitung und zu einer Unterschrei­ tung der am Monoflop 82 eingestellten Haltezeit und somit zu einem dauernden Hin- und Herschalten des Flip­ flops 84 führen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter, mit einem mecha­ nischen Schwingungsgebilde, das zwei in den Behälter ragende Schwingstäbe aufweist, einer Erregungsanordnung, die die Schwingstäbe in Schwingungen quer zu ihrer Längsrichtung versetzt und einen von einer Wechselspannung erregbaren pie­ zoelektrischen Erregungswandler enthält, einem piezoelektri­ schen Empfangswandler, der die Schwingungen des mechanischen Schwingungsgebildes in ein elektrisches Ausgangssignal um­ wandelt, wobei der Empfangswandler mit dem Eingang einer Verstärkerschaltung verbunden ist, an deren Ausgang der Er­ regungswandler angeschlossen ist, so daß das mechanische Schwingungsgebilde zu Schwingungen mit seiner Eigenresonanz­ frequenz erregt wird, und mit einer Auswerteschaltung, die an den Ausgang der Verstärkerschaltung angeschlossen und so ausgebildet ist, daß sie einen Anzeige- und/oder Schaltvor­ gang auslöst, wenn die Frequenz des Ausgangssignals der Ver­ stärkerschaltung eine eingestellte Referenzfrequenz entweder überschreitet oder unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (73) eine Signalumwandlungsschal­ tung (80, 81) enthält, die das Ausgangssignal der Verstär­ kerschaltung (70, 71, 72) in ein Rechtecksignal umwandelt, dessen Frequenz der Ausgangsfrequenz der Verstärkerschaltung (70, 71, 72) proportional ist, sowie eine an den Ausgang der Signalumwandlungsschaltung (80, 81) angeschlossene Zeitver­ gleichsschaltung (82, 83, 84), die die Periodendauer des Rechtecksignals mit einer einstellbaren Referenzzeitdauer vergleicht und eine Spannung abgibt, wenn die Periodendauer die Referenzzeitdauer entweder unterschreitet oder über­ schreitet, daß an den Ausgang der Zeitvergleichsschaltung (82, 83, 84) eine Ansprechverzögerungsschaltung (85) ange­ schlossen ist, die ein integrierendes RC-Glied (86, 87) ent­ hält, dessen Kondensator (87) über einen Widerstand (86) durch die Ausgangsspannung der Zeitvergleichsschaltung (82, 83, 84) aufladbar ist, daß an den Ausgang des integrierenden RC-Glieds (86, 87) eine Triggerschaltung (88) angeschlossen ist, die ausgelöst wird, wenn die Ladespannung des Kondensa­ tors (87) einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht, und daß die Zeitkonstante des integrierenden RC-Glieds (86, 87) so bemessen ist, daß die Ladespannung des Kondensators (87) erst dann den vorbestimmten Schwellenwert erreicht, wenn die Ausgangsspannung der Zeitvergleichsschaltung (82, 83, 84) das Überschreiten bzw. Unterschreiten der Referenzzeitdauer während einer vorbestimmten Anzahl von Perioden angezeigt hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitvergleichsschaltung (82, 83, 84) ein wiedertrig­ gerbares Monoflop (82) mit einstellbarer Haltezeit enthält, an dessen Auslöseeingang das von der Signalumwandlungsschal­ tung (80, 81) erzeugte Rechtecksignal angelegt ist, sowie ein D-Flipflop (84), dessen D-Eingang an den Ausgang des wiedertriggerbaren Monoflops (82) und dessen Takteingang (CL) an den Ausgang der Signalumwandlungsschaltung (80, 81) ange­ schlossen ist, und daß das integrierende RC-Glied (86, 87) an einen Ausgang (Q, ) des D-Flipflops angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Triggerschaltung (88) einem Ein­ gang des wiedertriggerbaren Monoflops (82) zugeführt wird und in diesem eine Veränderung der eingestellten Haltezeit im Sinne einer Vergrößerung der Schalthysterese bewirkt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe (82) der Verstärkerschal­ tung (80, 81, 82) übersteuert ist.