DE3625779C2

DE3625779C2 -

Info

Publication number: DE3625779C2
Application number: DE19863625779
Authority: DE
Inventors: Karl 7622 Schiltach De Benz
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1986-07-30
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1991-11-28
Also published as: DE3625779A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 29 33 618 bekannt, die zwei koaxial angeordnete, steife Schwingungselemente aufweist, wobei das innere Schwingungselement als Stab ausgebildet ist. Die beiden Schwingungselemente haben voneinander getrennte Drehpunkte und jeweils eine Massenverteilung oberhalb und unterhalb der Drehpunkte. Hierbei befindet sich der Drehpunkt des äußeren Schwingungselementes in der Behälterwand mit der Folge, daß ein großer Teil der schwingenden Massen sich außerhalb des Behälters befinden. Damit ist die Empfindlichkeit für Einflüsse aus dem Behälterinneren gemindert. Dazu kommt noch ein hoher Platzbedarf außerhalb des Behälters.

Aus der DE-OS 28 55 643 ist eine Füllstands-Meßvorrichtung bekannt, die zwei Schwingungselemente aufweist, die als Drehschwinger ausgebildet und sogar axial übereinander angeordnet sind. Auch in dieser Anordnung haben die beiden Schwingungselemente voneinander getrennte Drehpunkte sowie eine Massenverteilung oberhalb und unterhalb der Drehpunkte, die sich überwiegend außerhalb des Behälters befinden.

Aus der DE-OS 31 40 938 ist ferner ein Schwingungsgebilde mit zwei Schwingungselementen bekannt, die aus einem Stab und einem umgebenden Rohr bestehen. Der Stab ist als Biegeschwinger ausgestaltet und ragt teilweise aus dem Rohr heraus, so daß auch diese Anordnung einen erhöhten Platzbedarf hat. Der wesentliche Nachteil ist aber die materialkritische Verwendung eines Biegeschwingers.

Aus der DE-PS 30 11 603 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der innere Drehschwingerstab voll ausgebildet ist und im Bereich des Drehpunkts eine als Rückholfeder wirkende Verjüngung aufweist. Mit einer derartigen Vorrichtung läßt sich eine automatische Anpassung des von dem inneren Schwingungselement ausgeübten Gegenschwingmoments an die Eigenschaften der Behälterwandung erreichen, so daß sich eine hohe Detektionsempfindlichkeit bei nahezu beliebigen Füllgütern unabhängig von den Einspannverhältnissen ergibt.

In bestimmten Anwendungsfällen treten verhältnismäßig hohe seitliche Schwingungsrohrbelastungen auf, die eine Erhöhung der Membrandicke erforderlich machen. Dies zieht aber zwangsläufig eine höhere Federsteife und damit den Anstieg der Resonanzfrequenz des äußeren Drehschwingers nach sich. Zwangsläufig muß damit aber auch die Resonanzfrequenz des inneren Drehschwingers erhöht werden, wozu es einer Durchmesservergrößerung des inneren Stabes und vor allem seiner Verjüngung bedarf. Die Platzverhältnisse innerhalb des äußeren rohrförmigen Drehschwingers lassen aber nicht zu, daß der Querschnitt des inneren Stabes nach Belieben vergrößert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die Resonanzfrequenz in hohem Maße unabhängig ist vom Querschnitt des inneren Drehschwingers. Ferner soll die Vorrichtung dadurch robuster ausgebildet werden können, ohne daß Beschränkungen bezüglich der Resonanzfrequenz gegeben sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ist es möglich, die äußere Membran zu verstärken, ohne gleichzeitig den Querschnitt des inneren Schwingungselementes vergrößern zu müssen. Der Grund dafür liegt darin, daß die Massen- und Drehpunkte der beiden Schwingungselemente nahezu zusammenfallen, da sie beide rohrförmig und mit gleicher Länge ausgebildet sind sowie auf praktisch derselben axialen Höhe in ihren Membranen abschließen. Die Umhüllung des inneren Schwingungselementes durch das äußere Schwingungselement auf praktisch seiner gesamten Länge ist nur durch die in minimalem Abstand angeordneten Membranen möglich. Die dichte Annäherung der Schwerpunkte und Drehpunkte der beiden Schwingungselemente ist dadurch erreichbar, daß beide rohrförmig ausgestaltet sind. Bei rohrförmigen Drehschwingern ist die Biegesteifigkeit durch die Querschnittsform vorgegeben. Biegeanteile der Schwingung werden vermieden.

Durch geeignete Dimensionierung der Membran bezüglich der Dicke und des Materials läßt sich die Resonanzfrequenz des inneren Drehschwingers in weiten Grenzen beeinflussen, ohne daß der Querschnitt seines Stabes verändert werden müßte.

Damit das Schwingungsverhalten der beiden Drehschwinger möglichst übereinstimmt, werden die beiden Membranen möglichst nahe übereinander angeordnet, wobei der minimale Abstand größer sein sollte als die Summe der maximalen Amplituden der beiden Membranen. Der minimale Abstand ist lediglich durch die Unterbringung der Wandler bestimmt.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfin dungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 besitzt die Vorrichtung zum Feststellen eines bestimmten Füllstandes gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel zwei koaxial zueinander angeordnete Drehschwinger 10, 11, wobei der innere Drehschwinger 11 rohrförmig ausgebildet ist und an seinem oberen Ende an einer sich radial erstreckenden Membran 13 befestigt ist, die starr mit einem Ein schraubstück 14 verbunden ist.

Auch der äußere Drehschwinger 10 ist rohrförmig ausge bildet und umgibt konzentrisch den inneren Drehschwinger 11, wobei die beiden Drehschwinger nicht notwendiger weise die gleiche Länge haben müssen. An seinem oberen Ende ist am äußeren Drehschwinger 10 eine weitere Membran 12 angebracht, die mit dem Einschraubstück 14 - bevorzugt über die umfangsmäßige Verbindung der Membran 13 - in starrer Verbindung steht. Dabei ist die Anord nung so getroffen, daß die beiden Drehschwinger 10, 11 einen gemeinsamen Masseschwerpunkt besitzen. Auch sollte die Masse der beiden Drehschwinger 10, 11 gleich groß sein.

Zur Erregung des Schwingungsgebildes dient bevorzugt ein elektromechanischer Wandler, etwa in Form eines piezo elektrischen Elements 15, das beim Ausführungsbeispiel auf der Oberseite der Membran 13 des inneren Drehschwin gers 11 in Abstand von der zentralen Längsachse der Vorrichtung angebracht ist. Die bei Erregung des Wandlers in der Vorrichtung erzeugten Schwingungen werden beim Ausführungsbeispiel durch einen zweiten elektromechanischen Wandler 16 erfaßt, der diametral zum Wandler 15 ebenfalls auf der Oberseite der Membran 13 befestigt ist.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß einer oder beide Wandler 15, 16 auch auf der Unterseite der Membran 13 und/oder auf der Ober- bzw. Unterseite der Membran 12 angebracht sein könnten. Die beim Ausführungsbeispiel gewählte Anordnung erlaubt eine sehr einfache Leitungsführung durch eine Öffnung 18 im Einschraubstück 14.

Die beiden Membranen 12, 13 werden derart bemessen, daß die von ihnen ausgehenden Federkräfte die durch die Drehschwinger um deren Drehpunkt hervorgerufenen Drehmomente jeweils gegenseitig aufheben. Wie ersicht lich, läßt sich die Resonanzfrequenz in weiten Grenzen durch die Materialauswahl und Dimensionierung der beiden Membranen 12 und 13 bestimmen, ohne daß wesentliche Änderungen, insbesondere im Querschnitt des inneren Drehschwinger 11, erforderlich sind. Die Membran 12 kann somit entsprechend versteift werden, so daß sich eine robuste Vorrichtung ergibt, die entsprechend unempfindlich gegenüber seitlichen Belastungen ist.

Die in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist prinzipiell den gleichen Aufbau wie die Ausführungsform nach Fig. 1 auf, wobei jedoch die Befestigung der Membran 13 und die Anbringung und Ausgestaltung der Wandlerelemente unterschiedlich sind.

So wird bei diesem Ausführungsbeispiel zum Antrieb ein Wandlerpaar 20, 21 in Form piezoelektrischer Elemente verwendet, die übereinander angeordnet sind. Das Wandlerpaar liegt somit zwischen der Oberseite der Membran 13 und einer Spannvorrichtung 22, die in Richtung der zentralen Längsachse der Vorrichtung von oben her in eine Bohrung in dem Einschraubstück 14 einschraubbar ist und dem Wandlerpaar eine gewisse Vorspannung gegenüber der Membran 13 gibt. Durch Verstellen der Schraube 22 läßt sich somit die Vorspan nung der Anlage des Wandlerpaares 20, 21 an der Membran 13 einstellen.

Als Abwandlung gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Aufnah mewandler 15 auf der Oberseite der Membran 12 aufge bracht, wobei die Leitungsführung durch eine Öffnung 24 in der oberen Membran 13 erfolgt.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sollen die beiden Membranen 12, 13 möglichst nahe übereinander liegen.

Ein federnder Stift 23 ist von oben her längs der zentralen Achse der Vorrichtung in die Membran 13 eingeschraubt oder in anderer Weise mit dieser Membran verbunden. Das obere Ende des Stiftes 23 ist in dem Einschraubstück 14 festgelegt. Dieser Stift 23 stellt somit eine zusätzliche in Querrichtung federelastische Verbindung der Membran 13 des inneren Drehschwingers 11 mit dem Einschraubstück 14 dar.

Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der elektro mechanischen Wandler auch andere Wandlerarten, etwa elektromagnetische Wandler, in Frage kommen könnten. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist der Abstand der beiden Membranen durch die dazwischen liegenden Elemen te, also im vorliegenden Falle durch das piezoelektrische Element 15, bestimmt, wobei dieser Abstand in der Größenordnung von 1 bis 3 mm, bevorzugt 2 bis 2,5 mm, betragen wird. Eine weitere Annäherung könnte durch Einbettung der Elemente in die Membranen bzw. durch Dickfilmbeschichtung erreicht werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Feststellen eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde, das zwei in gleicher Resonanzfrequenz und entgegengesetzten Drehsinn schwingende und koaxial zueinander angeordnete Drehschwinger (10, 11) aufweist, die jeweils an als Rückholfedern wirkenden Membranen (12, 13) befestigt sind, wobei die Schwingungen des Schwingungsgebildes bei Berührung des Füllgutes mit dem äußeren Drehschwinger gedämpft werden,
oder dessen Resonanzfrequenz sich bei Eintauchen in Material verändert, und
mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen bzw. der Resonanzfrequenzänderung des Schwingungsgebildes,
wobei die Membranen (12, 13) parallel angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Drehschwinger (10, 11) rohrförmig ausgebildet sind,
die Drehschwinger (10, 11) an ihren oberen Enden an den Membranen (12, 13) befestigt sind,
der äußere Drehschwinger (10) den inneren Drehschwinger (11) praktisch auf seiner gesamten Länge umschließt, und
die beiden Membranen (12, 13) in möglichst geringem Abstand, bestimmt durch die maximalen Schwingungsamplituden bzw. durch die zwischen den beiden Membranen (12, 13) anzuordnenden Elemente (z. B. 15), angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drehschwinger (10, 11) einen gemein samen Masseschwerpunkt haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der beiden Drehschwinger (10, 11) gleich groß ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den beiden Membranen (12, 13) jeweils ausgehenden Federkräfte die durch die Drehschwinger (10, 11) um deren Drehpunkt hervorgerufenen Dreh momente jeweils gegenseitig aufheben.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Antrieb des Schwingungsgebildes als auch die Erfassung der Schwingung mittels elektro mechanischer Wandler bevorzugt in Form von piezo elektrischen Elementen (15, 16) erfolgt, die zueinander versetzt, vorzugsweise diametral ver setzt, auf einer der beiden Membranen (12, 13) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Antrieb des Schwingungsgebildes als auch die Erfassung der Schwingung mittels elektro mechanischer Wandler bevorzugt in Form von piezo elektrischen Elementen (15, 20/21) erfolgt, die versetzt, vorzugsweise diametral zueinander auf jeweils einer anderen der beiden Membranen (12, 13) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Schwingungsgebildes zwei piezoelektrische Elemente (20, 21) innerhalb einer Spannvorrichtung (22) übereinander angeordnet und mit der inneren Membran (13) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membranen (12, 13) starr mit einem Einschraubstück (14) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Membran (13) mit dem Einschraubstück (14) in ihrem Zentrum zusätzlich in Querrichtung federelastisch verbunden ist (23).