DE3633047C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallwandler eines Füllstandmeßgerätes zum Messen des Füllstandes in einem Behälter mit explosionsgefährdeter Innenzone, wobei der Schall- oder Ultraschallwandler eine mit einem piezoelektrischen Element in Kontakt stehende Metallmembrane aufweist und mittels eines Metallflansches über einer Öffnung des Behälters mit diesem verbunden ist.

Für die Messung des Füllstandes mit elektrisch betriebenen Füllstandmeßgeräten, wie z. B. Schall- oder Ultraschallfüll­ standmeßgeräten in Behältern mit explosionsgefährdeter Innen­ zone, ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um die elektrischen Betriebsmittel des Füllstandmeßgerätes flammen­ durchschlagsicher von der Innenzone des Behälters zu trennen. Diese Trennung ist auch gegenüber der Atmosphäre für die Öffnung des Behälters notwendig, über welcher das Füllstand­ meßgerät notwendigerweise so an den Behälter montiert wird, daß es mit der explosionsgefährdeten Innenzone in räumlicher Verbindung steht.

Nach dem Deutschen Gebrauchsmuster 83 32 045 wird der Ultraschallsensor eines Füllstandmeßgerätes vorgeschlagen, der zum Einsatz in einem Behälter mit durch brennbare Stäube ex­ plosionsgefährdeter Innenzone geeignet ist. Gelöst ist die Aufgabe bei dem bekannten Sensor durch ein Metallgehäuse, das den Sensortopf staubdicht umschließt, und eine im Innern des Gehäusetopfes verlaufende Leitungsanordnung, die elektrisch leitend zum Zweck des Potentialausgleiches mit der Metall­ membrane verbunden ist.

Eine andere Lösung der gleichen Aufgabe ist durch einen im Handel erhältlichen anderen Ultraschallsensor bekannt geworden. Hier ist der Ultraschallsensor mit einem ringzylindrischen Schaft ausgestattet, der eine zentrische Bohrung des Be­ festigungsflansches durchdringt und koaxial von einer Buchse umschlossen wird. Dabei ist die Buchse so zwischen dem Schaft und dem Flansch angeordnet, daß zwischen der zylindrischen Oberfläche der Buchse und der Innenwand der zentrischen Bohrung des Befestigungsflansches ein ringzylindrischer Luftspalt ent­ steht, der so bemessen ist, daß er eine flammendurchschlag­ sichere Trennung zwischen explosiblen und nicht explosiblen Bereichen bildet. Der eigentliche Ultraschallwandler ragt dann, unterhalb des ringzylindrischen Schaftes angeordnet, und von einem Metallgehäuse umgeben, in die Innenzone des Behälters.

Beide bisher bekannt gewordenen Lösungen sind durch die Nach­ teile gekennzeichnet, daß die Lösungen aufwendig sind, dazu viele Teile mit unterschiedlichen Werkstoffen benötigt werden, die alle mit dem Medium in Verbindung stehen und deshalb ins­ besondere bei aggressiven Medien die Sicherheit und die Lebens­ dauer des Meßgerätes erheblich herabsetzen; außerdem ist bei den bisher bekannten Lösungen ein erheblicher Aufwand für die Montage und Demontage des Meßgerätes notwendig.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Füll­ standmeßgerätes, das mit geringem Aufwand hergestellt, leicht montiert oder demontiert werden kann, eine absolute Trennung der elektrischen Betriebsmittel sowie die Atmosphäre von der explosionsgefährdeten Innenzone des Behälters gewähr­ leistet und deshalb für den Einsatz in Behältern mit explo­ sionsgefährdeter Innenzone geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 be­ schriebenen Merkmale.

Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Füllstand­ meßgerät den Vorteil, daß eine homogene, aus nur einem Werkstück hergestellte, durchgehend metallische Ober­ fläche vorhanden ist, die (außer dem Material der Flansch­ dichtung) als einzige mit dem Meßmedium in Verbindung kommt und dadurch den Sensor zum Einsatz in aggressiven Medien oder Lebensmitteln geeignet macht.

Ein weiterer Vorteil liegt in der niederen Bauhöhe des Sensors. Jeder Schall- oder Ultraschallsensor, der impulsmäßig angeregt wird, besitzt am Ende des Sendeimpulses eine sog. Todzeit, in der keine Messungen möglich sind. Als Todzeit bezeichnet man jenen Zeitabstand, den der Sensor benötigt, um nach Beendigung des Sendeimpulses auszuschwingen. So lange nämlich wie die als Sender und Empfänger wirkende Membrane noch nach Beendigung des Sendeimpulses in Schwingungen versetzt ist, kann kein Echoimpuls empfangen werden. Zwar werden eine Reihe von Maß­ nahmen vorgeschlagen, die Ausschwingzeit des Sensors zu verkürzen oder auch während dieser Zeit Echosignale zu empfangen; dennoch verbleibt eine Zeitspanne, direkt nach Beendigung des Sendeimpulses, die nicht zum Empfang des Echoimpulses zur Verfügung steht. Von der Laufzeit des Sendeimpulses im Medium Luft hängt es aber ab, bis zu welcher Maximalbefüllung der Füllstand im Behälter gemessen werden kann. Messungen oberhalb dieser Grenze sind nicht mehr möglich, da die Laufzeit des Sendeimpulses bis zur Füllgutoberfläche und zurück zum Sensor so kurz ist, daß der Empfang in die Ausschwingphase des Sensors nach Beendigung des Sendeimpulses fällt. Diesem Nachteil versucht man dadurch zu begegnen, daß man den Ultraschallsensor möglichst so im Deckel des Behälters anordnet, daß bei ent­ sprechender Laufzeit des Sendeimpulses eine möglichst große Ausnutzung des Behälterinnenraumes möglich ist.

Nach der DE-PS 25 47 759 wird deshalb vorgeschlagen, auf den Deckel eines Behälters eine rohrförmige Verlängerung anzuordnen, die es ermöglicht, den Sensor in einem bestimmten Abstand ober­ halb des Behälterdeckels zu montieren. Zur Vermeidung von Störreflexionen wird der Schallimpuls mittels eines Schall­ führungsrohres geleitet.

Da bei dem Gegenstand der Erfindung der Schall- oder Ultra­ schallwandler nicht in die Innenzone des Behälters ragt, sondern Wandlermembrane und Befestigungsflansch auf einer Ebene liegen, ist eine höhere Befüllung des Behälters und damit eine bessere Ausnutzung seiner Lagerkapazität möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile sind in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein anderes Beispiel für eine Ausführung der Erfindung und

Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei in den Fig. 2, 3 zusätzliche Maßnahmen zur Körper­ schallentkopplung dargestellt sind.

In Fig. 1 ist unter 1 ein Füllstandmeßgerät dargestellt, das der besseren Erklärung wegen ein Ultraschallfüllstandmeßgerät sein soll. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung von Ultraschallwellen beschränkt, sondern läßt sich für alle Füllstandmeßgeräte anwenden, die mit Schallimpulsen arbeiten. Das Füllstandmeßgerät 1 ist oberhalb des Deckels 2 eines Be­ hälters angeordnet, dessen FÜllstand gemessen werden soll. Dazu besitzt der Deckel 2 eine kreiszylindrische Öffnung 3, die durch ein kurzes Rohrstück 4 gebildet wird. Ein Flansch 5 ist mit dem Rohrstück verbunden. Der Flansch 5 hat eine Reihe von Bohrungen 6, die auf dem Umfang eines Lochkreises gleichmäßig verteilt sind.

Das Füllstandmeßgerät 1 besitzt ein Gehäuse 7, in dessen Innern auf einer Schaltungsplatte angeordnet sich jene elek­ trischen bzw. elektronischen Bauteile befinden, die den elek­ trischen Impuls zur Anregung des piezoelektrischen Elementes 8 erzeugen. Weiter ist es Aufgabe dieser Bauteil, den vom piezo­ elektrischen Elelement 8 erzeugten elektrischen Echoimpuls zu empfangen, zu verstärken und über eine nicht dargestellte elektrische Verbindungsleitung an das, von dem Füllstandmeß­ gerät 1 getrennt angeordnete Auswertegerät zu übermitteln. Die zur Funktion benötigte elektrische Energie empfängt das Füllstandmeßgerät 1 vom Auswertegerät ebenfalls über die nicht dargestellte elektrische Verbindungsleitung. Die Einführung dieser Leitung in das Gehäuse 7 geschieht durch die PG-Ver­ schraubung 9.

Unterhalb des Gehäuses 7 ist das Wandlergehäuse 10 angeordnet. Gehäuse 7 und Wandlergehäuse 10 sind so gegeneinander ausge­ richtet, daß kreiszylindrische Öffnungen 11, 12 sich fluchtend gegenüberliegen. Die Befestigung des Gehäuses 7 am Wandlergehäuse 10 geschieht unter Einfluß einer Dichtung 30 durch Schrauben 13.

Durch die kreiszylindrischen Öffnungen 11, 12 sind elektrische Kabel 14 durchgeführt, die die nicht dargestellten elektronischen Bauteile im Innern des Gehäuses 7 mit dem piezoelektrischen Element 8 verbinden.

Das Wandlergehäuse 10 ist unter Einschluß der ringförmigen Dichtung 15 mit dem Flansch 16 verbunden. Als Befestigungs­ elemente dienen die Schrauben 17. Durch den Flansch 16 ist das Füllstandmeßgerät 1 mit dem Flansch 5 des Deckels 2 verbunden. Dazu verfügt der Flansch 16 über eine Reihe von Bohrungen 18, die fluchtend zu den Bohrungen 6 des Flansches 5 entlang eines Lochkreises gleichmäßig verteilt sind. Die lösbare Verbindung zwischen den Flanschen 5, 16 geschieht mittels Schraubverbin­ dung 19 unter Einfluß einer elastischen ringförmigen Dich­ tung 20.

Der Befestigungsflansch 16 hat auf seiner der Behälterinnenzone ab­ gewandten Seite eine kreiszylindrische Ausnehmung 21; diese ist so angeordnet, daß ihre Symmetrieachse mit der Symmetrie­ achse des Flansches 16 zusammenfällt. Die zylindrische Aus­ nehmung 21 durchdringt den Flansch 16, jedoch nicht vollständig, sondern die zylindrische Ausnehmung 21 ist auf der der Behälter­ innenzone zugewandten Seite durch einen ca. 1,5 mm dicken Be­ reich 22 verschlossen.

Die zylindrische Ausnehmung 21 des Befestigungsflansches 16 dient nun gleichzeitig zur Aufnahme des piezoelektrischen Elementes 8 sowie der aus einem geeigneten Silikonelastomer bestehenden Anpaßschicht 23 und der ebenfalls aus einem ge­ eigneten Silikonelastomer hergestellten Dämpfungsschicht 24. Dabei stellt der Bereich 22 des Flansches 16 die Membrane des Ultraschallwandlers 25 dar. Die Ausnehmung 21 kann mit jedem dem Fachmann bekannten, spanabhebenden Verfahren erzielt werden. Allerdings muß diese so ausgeführt sein, daß die Membrane 22 eine gleichbleibende Dicke hoher Präzision hat.

Die Aufgabe des Wandlergehäuses 10 ist außer der eines Verbin­ dungselementes zwischen dem Befestigungsflansch 16 und dem Gehäuse 7 jene, den aus piezoelektrischen Element 8, Anpaß­ schicht 23 und Dämpfungsschicht 24 bestehenden Ultraschallwand­ ler 25 schützend gegenüber der Umwelt abzudecken.

Die Integration des Ultraschallwandlers 25 in den Befestigungs­ flansch 16 ergibt nun eine äußerst flache Bauweise des Füll­ standmeßgerätes 1. Dabei bildet die, dem Innern des Behäl­ ters zugewandte Seite des Flansches 16 eine homogene, durch­ gehende, die Membrane des Ultraschallwandlers 25 einschließende metallische Oberfläche, wobei kein Bauteil des Füllstandmeß­ gerätes 1 über den Befestigungsflansch hinaus in das Innere des Behälters ragt.

Wählt man die Membranestärke entsprechend den vorgeschriebenen Festigungseigenschaften beim Einsatz von elektrischen Geräten in explosiblen Bereichen, so ergibt die durchgehende metallische Oberfläche entsprechender Festigkeit eine absolut flammendurch­ schlagsichere Trennung der explosionsgefährdeten Innenzone des Behälters von den elektrischen Betriebsmitteln des Füllstand­ meßgerätes 1 und unter Einschluß des Dichtringes 20 der Atmosphäre, so daß der Einsatz des erfindungsgemäßen Füll­ standmeßgerätes 1 in explosionsgefährdeten Innenbereichen eines Behälters gegeben ist.

Wählt man für den Flansch 16 einen rost- und säurebeständigen Stahl, der dann, außer dem Werkstoff der ringförmigen Dichtung 20, als einziger mit dem Meßmedium in Verbindung kommt, so kann das Füllstandmeßgerät 1 auch in aggressiven Medien und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.

In den Fig. 2, 3 sind zwei andere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt (Ausschnitte). Beide Ausführungsformen zeigen beispielsweise mögliche Maßnahmen zu einer zusätzlichen Körperschallentkopplung des Ultraschallwandlers 25. In Fig. 2 und 3 sind die gleichen Positionszahlen wie in Fig. 1 eingesetzt, insoweit diese zur Erklärung des Ausführungsbeispiels dienen. In Fig. 2 ist wieder der Befestigungsflansch 16 darge­ stellt, in dessen kreiszylindrischer Ausnehmung 21 der Ultra­ schallwandler 25 angeordnet ist. Der Flansch 16 ist mit dem Flansch 5 lösbar verbunden. Die Membrane 22 ist ebenfalls dem Inneren des Behälters zugewandt. Im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1 besitzt die Mantelfläche der Ausnehmung 21 eine sich radial erstreckende Nut 26, deren Querschnitt die Form eines zur Seite angeordneten T einnimmt. Sie wird gebildet durch zwei miteinander verbundene ringförmige Nuten, von denen jene der zylindrischen Ausnehmung 21 zugewandte einen quadratischen Querschnitt aufweist, während die zweite der zylindrischen Ausnehmung 21 abgewandte die Form eines sich axial erstreckenden Rechteckes besitzt. Durch diese Nut wird die Mantelfläche der kreiszylindrischen Ausnehmung 21 unterbrochen, so daß eine weitgehende Körperschallentkopplung des Ultraschallwandlers 25 gegenüber dem Flansch 16 erfolgt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Hier ist anstelle der T-förmigen Nut 26 eine andere Maßnahme zur Körperschall­ entkopplung des Ultraschallwandlers 25 aufgezeigt. Dazu ist der Flansch 16 mit in axialer Richtung verlaufenden von der dem Innern des Behälters abgewandten Seite eingebrachten Rillen oder Nuten 27, 28 versehen. Sie durchdringen natürlich nicht den Flansch 16 vollkommen, sondern die Tiefe ist so gewählt, daß die Festigkeit des Flansches nicht oder nur sehr wenig beeinträchtigt wird. Die Nuten 27, 28 verlaufen in einer Kreis­ bahn mit gleichem Abstand zur kreiszylindrischen Ausnehmung 21, so daß die Symmetrieachse des Umfangskreises der Nuten 27, 28 mit der Symmetrieachse der kreiszylindrischen Ausnehmung 21 zusammenfällt.

Natürlich sind die Maßnahmen zur Körperschallentkopplung nicht auf diese zwei gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern der Fachmann kann jede andere Art der zusätzlichen Körperschallentkopplung ergreifen. So können die Mittel zur Körperschallentkopplung auch mit einem schallabsorbierenden Werkstoff ausgefüllt werden.

Fig. 3 zeigt außerdem eine weitere verbesserte Ausführungsform der Erfindung. Danach durchdringt die kreiszylindrische Aus­ nehmung 21 den Flansch 16 etwa nur bis zur Hälfte jener Tiefe, die in Fig. 1 dargestellt ist. Die Anordnung des Ultra­ schallwandlers 25 folgt entsprechend Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die aus einem geeigneten Silikonelastomer hergestellte Dämpfungsschicht 24 ein Stück weiter aus dem Flansch 16 herausragt. Auf der der Behälterinnenzone zugewand­ ten Seite ist nun auch eine kreiszylindrische Ausnehmung 29 eingebracht. Der zwischen den Ausnehmungen 21 und 29 ver­ bleibende Bereich 22 bildet die Membrane des Ultraschallwand­ lers 25. Der Vorteil der Ausgestaltung nach Fig. 3 liegt darin, daß die kreiszylindrische Ausnehmung 29 eine von der homo­ genen Oberfläche des Flansches 16 zurückspringende Vertie­ fung bildet, welche die Membrane gegen äußere mechanische Beschädigungen schützt. Dabei kann die Tiefe der Ausnehmung 29 entsprechend dem Schutzbedürfnis und/oder der notwendigen Ein­ bautiefe des Ultraschallwandlers 25 entsprechend gewählt werden.

Claims (12)

1. Füllstandmeßgerät zum Messen des Füllstandes in einem Be­ hälter mit explosionsgefährdeter Innenzone, mit einem durch eine Membrane, ein piezoelektrisches Element, eine der Membrane zugewandte Anpaßschicht und eine der Membrane abgewandte Dämpfungsschicht gebildeten Schall- oder Ultra­ schallwandler zur Aussendung eines Schall- oder Ultra­ schallimpulses und zum Empfang des an der Oberfläche des Füllgutes reflektierten Echoimpulses und mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung des Füllstandmeßge­ rätes an dem Behälter, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) Der Flansch (16) weist auf der der Behälterinnenzone abgewandten Seite eine den Flansch (16) axial teil­ weise durchdringende, kreiszylindrische Ausnehmung (21) auf.
• b) Der Schall- oder Ultraschallwandler (25) ist im wesent­ lichen im Inneren des Flansches (16) angeordnet.
• c) Der Flansch (16) weist auf der der Behälterinnenzone zu­ gewandten Seite einen nicht von der kreiszylindrischen Ausnehmung durchdrungenen Bereich (22) gleichbleiben­ der Dicke auf, der die Membrane des Schall- oder Ultra­ schallwandlers (25) bildet.

2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Behälterinnenzone zugewandte Seite des Flansches (16) eine homogene, die Membrane (22) einschließende ebene Oberfläche ist.

3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (22) eine gleichbleibende Dicke von etwa 1,5 mm hat.

4. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der kreiszylindrischen Ausnehmung (21) mit der Symmetrieachse des Flansches (16) zusammenfällt.

5. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flansch (16) Aussparungen und/oder Durch­ brüche zur Körperschallentkopplung des Schall- oder Ultra­ schallwandlers (25) eingebracht sind.

6. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der kreiszylindrischen Ausnehmung (21) von einer sich radial erstreckenden Nut (26) durchbrochen ist.

7. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (26) einen sich radial erstreckenden ersten Bereich mit im wesentlichen quadratischen Querschnitt und einen sich an den ersten Bereich anschließenden, axial erstreckenden zweiten Bereich von im wesentlichen recht­ eckigem Querschnitt aufweist.

8. Füllstandmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreiszylindrische Ausnehmung (21) von wenigstens einer Nut (28) umgeben ist, die sich in Achsrichtung des Flansches (16) erstreckt und so angeordnet ist, daß die Symmetrieachse der Nut (28) mit der Symmetrieachse der Ausnehmung (21) sowie mit der Symmetrieachse des Flansches (16) zusammenfällt.

9. Füllstandmeßgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nuten (26, 28) mit einem schall­ absorbierenden Werkstoff ausgefüllt sind.

10. Füllstandmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (16) auf seiner der Behälterinnenzone zu­ gewandten Seite eine kreiszylindrische Ausnehmung (29) bildet, die sich fluchtend zur kreiszylindrischen Aus­ nehmung (21) in Achsrichtung des Flansches (16) erstreckt und so angeordnet ist, daß ihre Symmetrieachse mit der Symmetrieachse der kreiszylindrischen Ausnehmung (21) und der des Flansches (16) zusammenfällt.

11. Füllstandmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von den kreiszylindrischen Ausnehmungen (21 und 29) nicht durchdrungene Bereich (22) des Flansches (16) die Membrane des Schall- oder Ultraschallwandlers (25) bildet.

12. Füllstandmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schall-/Ultraschallwandler (25) von einem Wandler­ gehäuse (10) umschlossen ist.