DE3808481C2 - Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füll­ standes in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde, das zwei mit gleicher Reso­ nanzfrequenz und im Gegensinn schwingende und im Abstand zueinander koaxial an­ geordnete Schwingungselemente aufweist. Dabei umfaßt das rohrförmige äußere Schwingungselement das innere Schwingungselement zumindest teilweise, so daß die Schwingungen des Schwingungsgebildes bei Berührung des Füllgutes mit dem äußeren Schwingungselement gedämpft werden. Die Mittel zur Anregung der Schwingung und zur Detektion der Schwingungsamplitude bestehen aus elektromechanischen Umfor­ mern, vorzugsweise in Form von piezoelektrischen Elementen.

Füllstandsmeßvorrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus der DE 30 11 603 C2 oder der DE 36 25 779 A1 bekannt. Bei den dort beschriebenen Schwingungsgebilden sind die Schwingungselemente mit ihrem einen Ende an einer Membran beweglich be­ festigt.

Aus der US-PS 4,679,427 ist eine Vorrichtung zur Messung der Dichte von Flüssigkei­ ten bekannt geworden. Sie weist zwei sich gegenüberliegende Schwingplatten auf, wel­ che mit in das Meßmedium eintauchenden Scheiben verbunden sind. Die Schwingplat­ ten sind auf der dem zu messendem Medium abgewandten Seite befestigt. In einem bestimmten Abstand von diesem Befestigungspunkt erstreckt sich ein elektromagneti­ sches Antriebselement quer zur Längsachse der Platten. Zwei weitere im Winkel von 90° zu den Schwingplatten angeordnete Halter enden in ebenfalls in das Meßmedium eintauchende Detektorplatten. Die Halter weisen mit der elektronischen Auswerteschal­ tung verbundene Amplitudendetektoren auf.

Die DE-PS 32 15 040 zeigt eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füll­ standes mittels eines einzigen, teilweise rohrförmigen Resonanzstab. Die Vorrichtung weist ein im Innern des Resonanzstabes angeordnetes Querglied auf. Ein auf dem Querglied angeordneter elektromechanischer Wandler versetzt die Mantelfläche des Resonanzstabes in radial gerichtete Schwingungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vereinfachung des Schwingungssystems, der Schwingungserzeugung und der Befestigung der Schwingungselemente gegenüber dem bisher gebräuchlichen Schwingungsgebilde zu erreichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, bei dem die Schwingungselemente an ihrem einen Ende fest eingespannt sind und in einem gewissen Abstand von diesem Befestigungspunkt über eine Einrichtung zur Schwingungserzeugung quer zur Längsrichtung der Schwingungselemente verbunden sind. Durch diese Konstruktion kann auf die bewegliche Membran, an der die Schwingungselemente normalerweise aufgehängt sind, verzichtet werden.

Dadurch, daß die Schwingungselemente bei einem Schwingungsgebilde gemäß der vorliegenden Erfindung an ihrem einen Ende fest eingespannt sind, schwingen jetzt nicht mehr die Schwingungselemente als Ganzes, sondern das Schwingen der Schwingungselemente wird durch eine Verbiegung der Elemente in sich selbst erreicht. An dem Ende, mit dem die Schwin­ gungselemente fest eingespannt sind, entsteht ein Schwingungsknoten, während an dem anderen, freien, nicht eingespannten Ende der Schwin­ gungselemente die maximale Schwingungsamplitude zu beobachten ist.

Die Vorrichtung zur Schwingungserzeugung und -detektion besteht aus mindestens einem elektromechanischen Wandler, welcher mit Verspannungsmitteln mit den Schwingkörpern verbunden ist. Als elektromechanische Wandler werden bevorzugt Piezoscheiben verwendet. Es ist möglich, nur ein Piezoelement zu verwenden, das dann abwechselnd zum Schwingungsantrieb und zur Schwingungsdetektion verwendet wird. Es können aber auch mehrere Piezoelemente eingesetzt werden, wobei dann ein Teil der Piezoelemente zum Schwingungsantrieb und der andere Teil zur Schwingungsdetektion verwendet wird.

Die Piezoscheiben übertragen ihre Dickenänderungen über die Verspannungsmittel (z. B. Bolzen) auf die Schwingungselemente, d. h. der Abstand der Schwingungselemente zueinander verändert sich fortwährend, wodurch ein gegenläufiges Schwingen der Schwingungselemente erzielt wird. Die Schwingungselemente weisen gleiche Massen, gleiche Rückstellkräfte und einen gemeinsamen Masseschwerpunkt auf, so daß sich ihre Drehmomente gegenseitig aufheben und somit keine Schwingenergie über die Behälter­ wandung abfließt.

Durch das Einstellen einer Vorspannung zwischen den Schwingungselementen kann die Schwingamplitude der Schwingungselemente beeinflußt werden. Auch die Wahl des Abstandes zwischen dem festen Einspannpunkt der Schwin­ gungskörper und dem Punkt ihrer Schwingungsanregung wirkt sich auf die Schwingungsamplitude der Schwingungskörper aus.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform.

Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Gesamtansicht des Schwingungsgebildes und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, eine erste Ausführungsform des Schwingungsantriebs und der Schwingungsdetektion darstellend,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, eine zweite Ausführungsform des Schwingungsantriebs und der Schwingungsdetektion darstellend.

Das Schwingungsgebilde 38 besteht aus zwei koaxial zueinander ange­ ordneten Schwingungselementen 10 und 12, von denen eines das andere zumindest teilweise im Abstand zueinander umfaßt. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel beide Schwingungselemente 10, 12 rohrförmig ausgebildet.

Beide Schwingungselemente 10 und 12 sind an ihrem einen Ende 30 starr mit einem Einschraubteil 14 an einer Behälterwandung befestigt.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Schwingungsantriebs und einer Schwingungsdetektion. Die Einrichtung zum Schwingungsantrieb und zur Schwingungsdetektion besteht aus einem Druckstück 46, das durch eine Öffnung 32 im inneren Schwingungselement 12 ragt und sich mit seinem einen Ende mit einer entsprechenden Aussparung 36 an einer Sicke 16 des äußeren Schwingungselementes 10 abstützt. Daran schließen sich ein Isolator 18, eine elektrische Kontaktscheibe 28, eine piezoelektrische Wandlerscheibe 44, eine zweite elektrische Kontaktfahne, ein weiterer Isolator 42 und ein mit einer Schlüsselfläche 22 versehener Schraubbolzen 24 an. Der Schraubbolzen 24 ist mit einem ebenfalls mit einer Schlüsselfläche versehenen Hohlzylinder 26 mit Innengewinde verschraubt. Mit seinem unverschraubten Ende stützt sich der Hohlzylinder 26 über eine entsprechende Aussparung 36 an einer Sicke 20 des inneren Schwingungselementes ab.

Über das Piezoelement 44 werden Schwingungen quer zur Längsachse der Schwingungselemente 10 und 12 erzeugt. Das Piezoelement 44 dient in periodischem Wechsel zugleich zur Schwingungsdetektion. Die elektrischen Zuleitungen 34 des Piezoelementes 44 werden durch eine Öffnung 40 im Einschraubteil 14 nach außen geführt. Die Schwingungen des Piezoelementes 44 übertragen sich über das Druckstück 46 und den Hohlzylinder 26 auf die Schwingungselemente 10 und 12, womit die Schwingungselemente 10, 12 gegenläufig zueinander in Schwingung gebracht werden. Die Schwingungselemente 10, 12 sind so ausgebildet, daß sie gleich große Massen besitzen und einen gemeinsamen Massenschwerpunkt sowie gleiche Rückstellfedercharakteristik aufweisen. Dadurch heben sich die Drehmomente der beiden Schwingungselemente 10 und 12 gegenseitig auf, wodurch keine Schwingenergie vom Schwingsystem über die Behälterwandung abfließt. Über die verstellbare Verschraubung des Bolzens 24 und des Hohlzylinders 26 kann eine gegenseitige Vorspannung der beiden Schwingungselemente 10, 12 eingestellt werden, womit eine Verstellung der Schwingamplitude möglich ist. Auch durch die Wahl des Abstandes (a) zwischen einerseits der Stelle 30, an der die Schwingungselemente 10, 12 fest eingespannt sind, und andererseits der Stelle, an der die Schwingungselemente 10, 12 über das Piezoelement 44 zu Schwingungen angeregt werden, kann die Schwingamplitude der Schwingungselemente 10, 12 beeinflußt werden.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Schwingungsantriebs und der Schwingungsdetektion.

Die Einrichtung zum Schwingungsantrieb und zur Schwingungsdetektion ist hierbei im Raum zwischen den beiden Schwingungselemente 10, 12 angeordnet. Um genügend Platz zur Verfügung zu stellen und einen festen Abstützpunkt zu haben, sind die Schwingungselemente 10, 12 an dieser Stelle mit Einbuchtungen 48 versehen.

Der Schwingungsantrieb erfolgt wiederum mit zwei Piezoelementen 44, die ihre Schwingungen über Aussparungen 46 auf die Schwingungselemente 10, 12 übertragen. Der elektrische Anschluß 34 kann wie vorher beschrieben über das Einschraubstück 14 nach außen geführt werden. Eine Vorspannung der Schwingungseinrichtung zur Verstellung der Schwingungsamplitude ist auch hierbei möglich, z.B. durch Vorspannkräfte im Zuge der Schweißverbindung der beiden Schwingungselemente 10, 12.

Eine weitere Möglichkeit des Schwingungsantriebs und der Schwingungsdetektion besteht darin, daß ein Piezoelement an der Innenfläche des äußeren Schwingungselements 10 und ein zweites Piezoelement an der Außenfläche oder Innenfläche des inneren Schwingungselements 12 befestigt wird.

Da die Schwingungselemente 10, 12 an ihrem einen Ende fest eingespannt sind, handelt es sich bei den Schwingungen, zu denen die Schwingungsele­ mente 10, 12 angeregt werden, um Biegeschwingungen, das heißt, die Schwingungselemente 10, 12 biegen sich in sich. Die maximale Schwin­ gamplitude ist begrenzt durch den Abstand der beiden Schwingungselemente 10, 12 zueinander. Es können statt des einen in diesen Ausführungs­ beispielen verwendeten Piezoelementes 44 auch mehrere Piezoelemente verwendet werden, wobei dann ein Teil dieser Piezoelemente zum Schwingungsantrieb und der andere Teil dieser Piezoelemente zur Schwingungsdetektion verwendet wird.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit ei­ nem Schwingungsgebilde, welches zwei mit gleicher Resonanzfrequenz und im Ge­ gensinn schwingende und im Abstand zueinander koaxial angeordnete, rohrförmige Schwingungselemente (10, 12) aufweist, die an ihrem einen Ende fest eingespannt sind, eine gleich große Masse und einen gemeinsamen Masseschwerpunkt aufweisen, wobei ein äußeres Schwingungselement ein inneres Schwingungselement zumindest teilweise umfaßt, so daß die Schwingungen des Schwingungsgebildes bei Berührung des Füll­ gutes mit dem äußeren Schwingungselement gedämpft werden, mit Mitteln zur An­ regung der Schwingungen über eine in einem Abstand (a) von dem Befestigungs­ punkt quer zur Längsrichtung der Schwingungselemente (10, 12) angeordnete und mit diesen verbundene Einrichtung zur Schwingungserzeugung und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude oder Fre­ quenz der Schwingungen, mit den weiteren Merkmalen, daß die Einrichtung zur Schwingungserzeugung aus einem oder mehreren elektromechanischen Wandlern (44) zur Schwingungsanregung und Schwingungdetektion besteht, welche quer zur Längserstreckung der Schwingungselemente (10, 12) und damit in deren Wir­ kungsrichtung mit Verspannungsmitteln bis zu den Verbindungsstellen (16, 20) mit den Schwingungselementen (10, 12) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannungsmittel zwischen den elektromechanischen Wandlern (44) und den Verbindungsstellen (16, 20) der Schwingungelemente (10, 12) aus einer aus zwei Verlängerungselementen (24, 26) gebildeten Verlängerung (24, 26) bestehen, welche in ihrer axialen Ausdehnung einstellbar sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler aus Piezoscheiben (44) bestehen, deren elektrische Anschlüsse (34) durch das Einschraubteil (14) der Schwingungselemente (10, 12) herausgeführt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Verlängerungselemente (24, 26) ein Piezoelement (44) enthält, das zum Schwingungsantrieb und zur Schwingungsdetektion verwendet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schwingungsantrieb und zur Schwingungsdetektion unter­ schiedliche Piezoelemente (44) verwendet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung aus zwei miteinander verschraubbaren Bolzen (24, 26) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschraubung der Bolzen (24, 26) mittels einer Kontermut­ ter (22) im Abstand variierbar ist, womit eine Vorspannung der beiden Schwingungselemente (10, 12) einstellbar und somit deren Schwingungsamplitude veränderbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Bolzen (24, 26) an den Schwingungselementen (10, 12) aus einer Sicke (16, 20) am jeweiligen Schwingungselement (10, 12) besteht, gegen die der entsprechende Bolzen (18, 26) mit einer passenden Aussparung (36) gedrückt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Schwingungserzeugung im Zwischenraum der beiden Schwingungselemente (10, 12) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungselemente (10, 12) mit Einbuchtungen (48) versehen sind, gegen die sich Piezoelemente (44) zur Schwingungserzeugung und -detektion abstützen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Schwingungselemente (10, 12) zur Einstellung der Schwingungsamplitude bei der Schweißverbindung der Schwingungselemente (10, 12) erfolgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Schwingungserzeugung aus Piezoelementen (44) besteht, die an der Innenfläche des äußeren Schwingungselements (10) und an der Außen- oder Innenfläche des inneren Schwingungselements (12) angebracht sind.