DE3912038A1 - Vorrichtung zur feststellung und/oder ueberwachung eines vorbestimmten fuellstands in einem behaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/ oder Überwachung eines bestimmten Füllstandes in einem Behäl­ ter mit einem mechanischen Schwingungsgebilde, das aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Schwingungselementen besteht, von denen jedes im Zentrum einer von zwei parallel im Abstand voneinander angeordneten, als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet ist und aus zwei zu beiden Seiten der zugehörigen Membran liegenden Teilen besteht, die so ausgebildet sind, daß der Schwerpunkt jedes Schwingungselements in der Ebene der zu­ gehörigen Membran liegt, wobei die im Zwischenraum zwischen den beiden Membranen liegenden Teile der beiden Schwingungs­ elemente Massekörper sind und der auf der anderen Seite der Membran liegende Teil des ersten Schwingungselements ein Stab ist, der als Detektorstab mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn dieses den zu überwachenden Füllstand erreicht, mit einem Schwingungserreger, der die beiden Schwingungselemente in ge­ gensinnige Schwingungen um die in den Ebenen der Membranen liegenden Drehachsen versetzt, und mit Einrichtungen zur Aus­ lösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude oder der Frequenz der Schwingungen.

Die Funktion solcher Vorrichtungen, die auch als Füllstands­ grenzschalter bekannt sind, beruht darauf, daß sich die Ampli­ tude oder die Frequenz der Schwingungen des mechanischen Schwingungsgebildes ändert oder die Schwingungen sogar ganz aussetzen, wenn der Detektorstab mit dem Füllgut in Berührung kommt. Durch die Verwendung von zwei gegensinnig schwingenden Schwingungselementen soll erreicht werden, daß sich die von den Schwingungselementen über die Membranen auf die Einspan­ nung ausgeübten Momente gegenseitig aufheben, so daß Verluste an Schwingungsenergie über die Einspannung vermieden werden. Solche Energieverluste verringern die Empfindlichkeit der Vor­ richtung und erfordern die Zuführung einer größeren Leistung für die Schwingungserregung.

Bei einer aus der DE-AS 28 55 643 bekannten Vorrichtung der eingangs angegebenen Art sind die beiden Schwingungselemente mechanisch voneinander getrennt und lediglich durch ein Rohr, an dem die Ränder der beiden Membranen eingespannt sind, mit­ einander verbunden. Die Erregung der gegensinnigen Schwingun­ gen der beiden Schwingungselemente erfolgt durch ein elektro­ magnetisches Antriebssystem, das durch die Seitenwand des Roh­ res in der Mitte zwischen den beiden Membranen gleichzeitig auf die Massekörper der beiden Schwingungselemente einwirkt. Der auf der anderen Seite der Membran liegende Teil des zwei­ ten Schwingungselementes ist gleichfalls ein Massekörper von gleicher Art wie die beiden zwischen den Membranen liegenden Massekörper, so daß zwar das zweite Schwingungselement in be­ zug auf seine Membran symmetrisch ist, die beiden Schwingungs­ elemente voneinander aber sehr verschieden sind und das mecha­ nische Schwingungsgebilde als Ganzes einen unsymmetrischen Aufbau hat. Bei dieser Vorrichtung läßt sich der gewünschte Ausgleich der Momente im Betrieb nicht aufrechterhalten.

Insbesondere bei Ansatzbildungen des Füllguts am Detektorstab ändern sich die für die Schwingungserregung maßgeblichen Para­ meter des ersten Schwingungselements, so daß die Amplituden­ gleichheit und genaue Gegensinnigkeit der Schwingungen der beiden Schwingungselemente nicht mehr gewährleistet ist. Jede Unsymmetrie in den Schwingungen der beiden Schwingungselemente verursacht jedoch Schwingungsenergieverluste über die Einspan­ nung. Darüber hinaus hat der ungleiche Aufbau der beiden Schwingungselemente zur Folge, daß die von den beiden Schwin­ gungselementen über die Membran auf die Einspannung ausgeübten Querkräfte nicht ausgeglichen sind, selbst wenn ein vollstän­ diger Ausgleich der Momente besteht. Dieser Fehlabgleich der Querkräfte verursacht ebenfalls Verluste an Schwingungs­ energie, die sich zu den durch einen Fehlabgleich der Momente verursachten Verlusten addieren.

Des weiteren ist eine seitlich angeordnete gemeinsame Schwin­ gungserregung durch ein gleichzeitig auf die beiden Schwin­ gungselemente einwirkendes Antriebssystem in vielen Fällen un­ günstig. Beispielsweise ist die Anordnung eines elektromagne­ tischen Antriebssystems in der Mitte des die Membranen tragen­ den Rohres schwierig, wenn das Rohr in das Innere des Behäl­ ters ragen soll. Zwar wäre es bei der bekannten Vorrichtung möglich, nur eines der beiden Schwingungssysteme durch das An­ triebssystem in Schwingungen zu versetzen, die dann über das die Membranen verbindende Rohr auf das andere Schwingungsele­ ment übertragen würden; eine genau gegenphasige Schwingung der beiden Schwingungselemente und demzufolge ein vollständiger Momentabgleich wäre aber durch diese Art der Schwingungserre­ gung im Falle von Ansatzbildungen noch weniger erzielbar.

Aus der DE-OS 36 19 678 ist andererseits eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Anzeige eines bestimmten Füllstands be­ kannt, die ein mechanisches Schwingungsgebilde aufweist, das in den Zentren von zwei parallel im Abstand voneinander ange­ ordneten Membranen gelagert ist. Dieses Schwingungsgebilde be­ steht jedoch nicht aus zwei im Abstand voneinander angeordne­ ten Schwingungselementen, sondern aus einem einzigen Schwin­ gungselement in Form eines als Biegeschwinger ausgebildeten Stabes, der an zwei Schwingungsknoten in den beiden Membranen gelagert ist. Da die Rückstellkraft durch die Stabspannung selbst aufgebracht wird, wirken die Membranen nicht als Rück­ holfedern, sondern sie dienen nur als Lagerungen. Die Schwin­ gungserregung dieses einzigen stabförmigen Schwingungselements erfolgt durch einen piezoelektrischen Wandler, der an dem Stab auf der dem Behälter abgewandten Seite angebracht ist. Da ein solches Schwingungsgebilde in Form eines an zwei Schwingungs­ knoten eingespannten Stabes eine unerwünscht große Baulänge ergibt, sind zur Verkürzung der Baulänge sowohl im Zwischen­ raum zwischen der Membran als auch an dem nicht mit dem Füll­ gut in Berührungen kommenden Ende des Stabes Zusatzgewichte angebracht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, die unter allen Betriebsbedingungen, insbesondere auch bei Ansatzbildungen am Detektorstab, und un­ abhängig von der Art der Schwingungserregung exakt gegensinni­ ge und amplitudengleiche Schwingungen der beiden Schwingungs­ elemente und demzufolge einen vollkommenen Momentabgleich ge­ währleistet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Schwingungselemente an den einander zugewandten Seiten der Massekörper durch eine Feder gekoppelt sind, die senkrecht zur Achsrichtung der Schwingungselemente eine große Steifig­ keit und parallel zur Achsrichtung der Schwingungselemente ei­ ne geringe Steifigkeit aufweisen.

Bei der nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung erzwingt die den Massekörper verbindende Feder infolge ihrer großen Steifigkeit in der Schwingungsrichtung, die senkrecht zur Achsrichtung der Schwingungselemente liegt, exakt amplituden­ und phasengleiche Bewegungen der beiden Massekörper und demzu­ folge genau gegensinnige und amplitudengleiche Schwingungen der beiden Schwingungselemente. Diese Wirkung ist unabhängig von Einflüssen, die die Schwingungen eines der beiden Schwin­ gungselemente beeinträchtigen, wie die Bedämpfung durch das Füllgut oder Masseänderungen infolge von Ansatzbildungen am Detektorstab. Ferner ist die erzwungene Gegensinnnigkeit und Amplitudengleichheit der Schwingungen unabhängig von der Art der Schwingungserregung; es ist daher ohne weiteres möglich, den Schwingungserreger nur auf eines der beiden Schwingungs­ elemente einwirken zu lassen, da dessen Schwingungen durch die Feder direkt auf das andere Schwingungselement übertragen wer­ den. Die bei den Schwingbewegungen auftretenden axialen Bewe­ gungskomponenten der beiden Massekörper werden durch die ge­ ringe Steifigkeit der Feder in der Achsrichtung zugelassen. Durch diese geringe Steifigkeit der Feder in der Achsrichtung werden auch thermisch bedingte Längenänderungen ausgeglichen.

Durch eine besondere Dimensionierung der Stäbe und Massekörper der beiden Schwingungselemente ist es zusätzlich möglich, au­ ßer einem vollkommenen Momentabgleich auch einen Abgleich der von den beiden Schwingungselementen verursachten Querkräfte zu erzielen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher eine hohe Ansprechempfindlichkeit bei geringem Leistungsbedarf auf.

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

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Füllstandsgrenzschalters nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Füllstandsgrenzschalter von Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild der elektrischen Erregungs­ schaltung für den Füllstandsgrenzschalter von Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Detektorstab längs der Linie IV-IV von Fig. 1,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Kompensationsstab langs der Linie V-V von Fig. 1,

Fig. 6 eine Abänderung des Füllstandsgrenzschalters von Fi­ gur 1,

Fig. 7 einen Längsschitt durch eine zweite Ausführungsform des Füllstandsgrenzschalters nach der Erfindung und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform des Füllstandsgrenzschalters nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Füllstandsgrenzschalter 10 wird von einem Einschraubstück 12 getragen, das in eine Gewindeöff­ nung in einer Wand 14 eines Behälters eingeschraubt ist, in dem sich ein Füllgut befindet. Der Füllstandsgrenzschalter soll feststellen, ob der Füllstand im Behälter über oder unter einer vorbestimmten Höhe liegt, und er wird zu diesem Zweck auf der Höhe dieses festzustellenden Füllstandes montiert. Die Einbaulage ist beliebig; der Füllstandsgrenzschalter kann, wie in der Zeichnung dargestellt ist, horizontal in einer Seiten­ wand des Behälters montiert sein, oder auch vertikal in einer oberen Abschlußwand des Behälters, wenn er feststellen soll, ob der Behälter ganz gefüllt ist, oder in jeder beliebigen an­ deren Lage.

Der Füllstandsgrenzschalter 10 hat ein rohrförmiges Gehause 16, das über ein Verlängerungsrohr 18 mit dem Einschraubstück 12 verbunden ist, und ein koaxial zu dem Gehäuse 16 angeordne­ tes mechanisches Schwingungsgebilde 20, das über zwei Membra­ nen 22, 24 mit den beiden Enden des Gehäuses 16 verbunden ist. Das mechanische Schwingungsgebilde 20 besteht aus zwei Schwin­ gungselementen 26 und 28, die im Innern des Gehäuses 16 durch eine Feder 30 miteinander verbunden sind.

Das Schwingungselement 26 besteht aus einem im Innern des Ge­ häuses 16 angeordneten Massekörper 32, an dem ein Ansatzstück 33 angeformt ist, das durch die Mitte der Membran 22 hindurch­ geht und mit dieser dicht verbunden ist, und aus einem am Ende des Ansatzstücks 33 befestigten Detektorstab 34, der in den Behälter ragt, in dem sich das Füllgut befindet. Die Membran 22 kann in einem Stück mit dem Massekörper 32 und dem Ansatz­ stück 33 geformt und am äußeren Rand dicht mit der Stirnfläche des rohrförmigen Gehäuses 16 verbunden sein, beispielsweise durch eine Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindung. In gleicher Weise besteht das Schwingungselement 28 aus einem im Innern des Gehäuses 16 angeordneten Massekörper 36, an dem ein An­ satzstück 37 angeformt ist, das durch die Mitte der Membran 24 hindurchgeht und mit dieser dicht verbunden ist, und aus einem am Ende des Ansatzstücks 37 befestigten Kompensationsstab 38, der im Innern des Verlängerungsrohres 18 liegt. Die Membran 24 kann ebenfalls in einem Stück mit dem Massekörper 36 und dem Ansatzstück 37 geformt und am äußeren Rand durch eine Schweiß- Löt- oder Klebeverbindung dicht mit der Stirnfläche des rohr­ förmigen Gehäuses 16 verbunden sein.

Wie die Querschnittsansicht von Fig. 2 erkennen läßt, haben die beiden Massekörper 32 und 36 die Form von Zylindersegmen­ ten gleichen Querschnitts mit einander zugewandten ebenen axialen Flächen 35 bzw. 39, die sich symmetrisch zur Achse der beiden Schwingungselemente in geringem Abstand gegenüberlie­ gen, so daß sich die beiden Schwingungselemente 26 und 28, wie Fig. 1 zeigt, im Bereich der Massekörper 32 und 36 in axialer Richtung gegenseitig überlappen. Die Massekörper 32 und 36 sind in ihrem mittleren Bereich mit einander gegenüberliegen­ den, radial verlaufenden Ausschnitten 40 bzw. 41 versehen, in denen die Feder 30 angeordnet ist. Die Feder 30 ist an beiden Enden mit Befestigungselementen 42 und 43 verbunden, die durch Schrauben 44 bzw. 45 in den Ausschnitten 40 bzw. 41 an den Massekörpern 32 bzw. 36 befestigt sind.

Die Feder 30 ist so ausgebildet, daß sie senkrecht zur Achs­ richtung der beiden Schwingungselemente eine große Steifigkeit und parallel zur Achsrichtung der beiden Schwingungselemente eine geringe Steifigkeit aufweist. Dies wird bei der Ausfüh­ rungsform von Fig. 1 auf einfache Weise dadurch erreicht, daß die Feder 30 ein elastischer Stab oder ein Federblatt ist, dessen Längsrichtung senkrecht zur Achsrichtung der beiden Schwingungselemente angeordnet ist. Ein elastischer Stab hat in seiner Längsrichtung eine große Steifigkeit und in der Richtung quer zu seiner Längsrichtung eine geringe Steifig­ keit. Desgleichen hat ein Federblatt in seiner Längsrichtung eine große Steifigkeit und in der Richtung seiner kleinsten Querschnittsdimension, die quer zu seiner Längsrichtung liegt, eine geringe Steifigkeit. Federn dieser Art erfüllen daher die obige Bedingung, wobei natürlich ein Federblatt so eingebaut sein muß, daß seine kleinste Querschnittsdimension in der Achsrichtung der beiden Schwingungselemente liegt.

Die in den beiden Membranen 22, 24 elastisch gelagerten und durch die Feder 30 miteinander gekoppelten Schwingungselemente 26, 28 stellen ein einheitliches mechanisches Schwingungsge­ bilde dar, das zu Schwingungen angeregt werden kann, die in Fig. 1 in der Zeichenebene liegen. Jedes Schwingungselement kann unter Verformung der zugehörigen Membran eine Schwenkbe­ wegung um eine Achse ausführen, die in der Ebene der Membran liegt und in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene steht. Infolge ihrer großen Steifigkeit in der Richtung der Schwingbewegungen der beiden Massekörper 32 und 36 erzwingt die Feder 30 eine stets gleichsinnige und gleichphasige Bewegung der beiden Mas­ sekörper und demzufolge exakt gegensinnige Schwingungen der beiden Schwingungselemente 26 und 28. Die geringe Steifigkeit der Feder 30 in der Achsrichtung der Schwingungselemente, also quer zur Richtung der Schwingbewegungen, erlaubt die bei die­ sen Schwingbewegungen auftretenden axialen Relativbewegungen der beiden Massekörper, ohne daß hierdurch axiale Kräfte er­ zeugt werden. Außerdem kompensiert die Feder 30 durch ihre ge­ ringe Steifigkeit in der Achsrichtung temperaturbedingte Län­ genänderungen des rohrförmigen Gehäuses 16.

Die Eigenresonanzfrequenz der Schwingungen des mechanischen Schwingungsgebildes 20 ist durch die schwingenden Massen und durch die Rückstellfederkräfte bestimmt. Die schwingenden Mas­ sen setzen sich aus den Massen der beiden Massekörper 32, 36 und der beiden Stäbe 34, 38 zusammen. Die Rückstell-Federkräf­ te setzen sich aus den Federkräften der beiden Membranen 22, 24 und der Feder 30 zusammen.

Zur Erregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungsge­ bildes 20 sind auf der dem Verlängerungsrohr 18 zugewandten Seite der Membran 24 zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler 50 und 52 angebracht. Jeder piezoelektrische Wandler besteht in an sich bekannter Weise aus einer flachen piezo­ elektrischen Keramikscheibe, die auf beiden Seiten mit Metall­ belägen versehen ist, die als Elektroden dienen. Der eine Me­ tallbelag jedes piezoelektrischen Wandlers ist elektrisch lei­ tend mit der Membran 24 verbunden, die als Masseanschluß dient. Die entgegengesetzten Metallbeläge sind über Drähte 54 bzw. 56 mit einer elektrischen Erregungsschaltung verbunden, die in einem außerhalb des Behälters am Einschraubstück 12 angebrach­ ten Gehäuse 58 untergebracht sein kann.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der elektrischen Erre­ gungsschaltung und ihre Verbindung mit den beiden piezoelek­ trischen Wandlern 50 und 52. Der Wandler 50 ist über den Draht 54 mit dem Eingang eines Verstärkers 60 verbunden, an dessen Ausgang der Wandler 52 über den Draht 56 angeschlossen ist. An den Ausgang des Verstärkers 60 ist ferner eine Auswerteschal­ tung 62 angeschlossen, deren Ausgangssignal ein Relais 64 steuert.

Der piezoelektrische Wandler 50 ist ein Empfangswandler, der mechanische Verformungen der Membran 24 aufnimmt, wodurch zwi­ schen seinen beiden Elektroden eine elektrische Spannung er­ zeugt wird, die am Eingang des Verstärkers 60 anliegt. Die vom Verstärker 60 verstärkte Spannung liegt an dem piezoelektri­ schen Wandler 52 an, der dadurch mechanisch verformt wird und diese Verformungen auf die Membran 24 überträgt. Dadurch wird zunächst das Schwingungselement 28 zu Schwingungen angeregt, die jedoch durch die Feder 30 auf das Schwingungselement 26 übertragen werden. Auf diese Weise erregt sich das aus den Membranen 22, 24 und den beiden Schwingungselementen 26, 28 bestehende mechanische Schwingungsgebilde 20 zu Schwingungen mit seiner Eigenresonanzfrequenz.

Die Funktion des Füllstandsgrenzschalters beruht darauf, daß die Schwingungen des mechanischen Schwingungsgebildes durch das Füllgut beeinflußt werden, wenn dieses den Detektorstab 34 berührt. Die Änderungen der mechanischen Schwingungen werden in dem vom Wandler 50 abgegebenen elektrischen Signal wieder­ gegeben und können daher von der Auswerteschaltung 62 am Aus­ gang des Verstärkers 60 festgestellt werden.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausbildung des Füllstands­ grenzschalters eignet sich insbesondere für die Feststellung des Füllstands von festen Füllgütern, die in körnigem oder pulverförmigem Zustand vorliegen. Wenn ein solches Füllgut den Detektorstab 34 berührt, werden die mechanischen Schwingungen gedämpft. Dementsprechend nimmt auch die Amplitude des Aus­ gangssignals des Verstärkers 60 ab. Die Auswerteschaltung 62 ist in diesem Fall ein Schwellenwert-Diskriminator, dessen Ausgangssignal einen ersten Wert hat, wenn die Amplitude sei­ nes Eingangssignals über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und einen zweiten Wert annimmt, wenn die Amplitude sei­ nes Eingangssignals unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß das Relais 64 beim ersten Wert des Ausgangssignals des Schwel­ lenwert-Diskriminators 62 erregt und beim zweiten Wert dieses Ausgangssignals abgefallen ist. Das Ausgangssignal kann ein Anzeigegerät steuern, das anzeigt, ob der Füllstand die vorbe­ stimmte Höhe erreicht hat oder nicht. Das Ausgangssignal kann auch Schaltvorgänge auslösen, wie bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel durch das Relais 64 angedeutet ist.

Je nach der Beschaffenheit des Füllguts können die mechani­ schen Schwingungen durch das Füllgut so stark gedämpft werden, daß die Schwingungen ganz abreißen, oder die Schwingungen kön­ nen sich mit verringerter Amplitude fortsetzen. Durch geeigne­ te Einstellung des Schwellenwerts des Schwellenwert-Diskrimi­ nators kann in jedem Fall erreicht werden, daß die beiden Schwingungszustände eindeutig voneinander unterschieden werden können.

Aus verschiedenen Gründen ist es erwünscht, einen Füllstands­ grenzschalter dieser Art mit möglichst geringer Energie be­ treiben zu können und dennoch eine möglichst hohe Empfindlich­ keit zu erzielen. Diesem Wunsch steht die Tatsache entgegen, daß bei einem mechanischen Schwingungsgebilde ein beträchtli­ cher Teil der Schwingungsenergie über die Einspannung verlo­ rengehen kann. Die Einspannung besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Einschraubstück 12, das den Füll­ standsgrenzschalter mit der Behälterwand 14 verbindet.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein solcher Energieverlust über die Einspannung dadurch vermieden, daß das mechanische Schwingungsgebilde aus zwei Schwingungselementen 26 und 28 besteht, von denen jede über eine eigene Membran 22 bzw. 24 mit dem gleichen rohrförmigen Gehäuse 16 verbunden ist, das seinerseits über das Verlängerungsrohr 18 von der Einspannung getragen wird. Jedes Schwingungselement übt über ihre Membran ein Moment auf das rohrförmige Gehäuse 16 aus. Da die beiden Schwingungselemente 26, 28 aber infolge der zuvor geschilderten Wirkung der Feder 30 stets exakt gegensinnig schwingen, sind diese Momente entgegengesetzt gerichtet, so daß sie sich gegenseitig aufheben. Es gibt daher kein resul­ tierendes Moment, das über das Verlängerungsrohr 18 auf die Einspannung übertragen werden kann, und demzufolge geht auch keine Schwingungsenergie infolge von Momenten über die Ein­ spannung zur Behälterwand verloren.

Wenn man die Feder 30 entfernt, stellt jedes Schwingungsele­ ment 26 und 28 mit der zugehörigen Membran 22 bzw. 24 für sich ein mechanisch schwingungsfähiges System mit einer bestimmten Eigenresonanzfrequenz dar. Damit die zuvor erläuterte Kompen­ sation der Momente möglichst vollkommen erzielt wird, sind die Schwingungselemente 26 und 28 so dimensioniert, daß die Mas­ sen, die Massenträgheitsmomente und die Eigenresonanzfrequen­ zen der beiden Schwingungselemente gleich groß sind.

Es wurde jedoch festgestellt, daß die Kompensation der Momente für sich allein noch nicht ausreicht, um die Verluste von Schwingungsenergie über die Einspannung vollständig zu vermei­ den. Solche Energieverluste können nämlich auch durch Quer­ kräfte verursacht werden, die von den Schwingungselementen bei ihren Schwingungsbewegungen über die Membranen auf die Ein­ spannung übertragen werden, wenn diese Querkräfte nicht gleich­ falls vollkommen abgeglichen sind. Um solche Energieverluste durch unabgeglichene Querkräfte zu vermeiden, ist der Füll­ standsgrenzschalter von Fig. 1 zusätzlich so ausgebildet, daß die von den beiden Schwingungselementen 26 und 28 verursachten Querkräfte vollkommen abgeglichen sind.

Zu diesem Zweck sind die beiden Schwingungselemente 26 und 28 so ausgebildet, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

• 1. Die beiden Massekörper 32 und 36 haben die gleiche axiale Länge;
• 2. die beiden Massekörper 32 und 36 haben die gleiche massive Querschnittsfläche;
• 3. die beiden Stäbe 34 und 38 haben die gleiche axiale Länge;
• 4. die beiden Stäbe 34 und 38 haben die gleiche massive Quer­ schnittsfläche.

Die ersten beiden Bedingungen sind bei dem Füllstandsgrenz­ schalter von Fig. 1 dadurch erfüllt, daß die beiden Massekör­ per 32 und 36 völlig gleich ausgebildet sind. Aus Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Länge L _{M 1} des Massekörpers 32 gleich der Länge L _{M 2} des Massekörpers 36 ist, und aus Fig. 2 ist zu er­ kennen, daß die beiden Massekörper 32 und 36 eine identische Querschnittsform und damit auch gleich große massive Quer­ schnittsflächen haben.

Ferner ist aus Fig. 1 zu erkennen, daß die Länge L _{S 1} des Stabes 34 gleich der Länge L _{S 2} des Stabes 38 ist. Damit ist auch die dritte Bedingung erfüllt.

Die vierte Bedingung ließe sich ebenfalls ohne weiteres da­ durch erfüllen, daß die Stäbe der beiden Schwingungselemente, ebenso wie ihre Massekörper, in identischer Weise ausgebildet würden. Nun ist es aber erwünscht, dem Detektorstab 34 einen großen Außendurchmesser zu geben, damit seine Schwingungen beim Eintauchen in das Füllgut möglichst stark gedämpft wer­ den, während der Außendurchmesser des Kompensationsstabes 38 aus Platzgründen klein gehalten werden soll. Deshalb ist in Fig. 1 der Außendurchmesser des Detektorstabs 34 doppelt so groß wie der Außendurchmesser des Kompensationsstabes 38. Den­ noch ist die vierte Bedingung ebenfalls erfüllt, wie aus den Fig. 4 und 5 erkennbar ist, die die Querschnitte der Stäbe 34 und 38 in vergrößertem Maßstab zeigen. Für die Erfüllung der vierten Bedingung kommt es nämlich nur darauf an, daß die "massiven" Querschnittsflächen gleich groß sind, also die in Fig. 4 und 5 schraffierten Flächen. Während der Stab 38 mas­ siv ist, ist der Stab 34 hohl, wobei der Innendurchmesser so bemessen ist, daß die schraffierte ringförmige "massive" Quer­ schnittsfläche in Fig. 4 gleich der Querschnittsfläche des massiven Stabes 38 von Fig. 5 ist.

Es läßt sich zeigen, daß sich unter diesen Bedingungen die von den beiden Schwingungselementen 20 und 26 verursachten und über die Membranen 22 und 24 auf die Einspannung übertragenen Querkräfte gegenseitig kompensieren, so daß keine Schwingungs­ energie infolge dieser Querkräfte verlorengeht.

Infolge der gleichen Längen und gleichen massiven Querschnitts­ flächen sind sowohl die Massen der beiden Massekörper 32 und 36 als auch die Massen der beiden Stäbe 34 und 38 gleich groß, und die Schwerpunkte dieser Massen liegen symmetrisch zueinan­ der. Daher lassen sich auch die Bedingungen für die Kompensa­ tion der Momente ohne weiteres erfüllen.

Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Füllstands­ grenzschalters von Fig. 1, die insbesondere zur Feststellung des Füllstandes von Flüssigkeiten geeignet ist. Der mechani­ sche Aufbau des Füllstandsgrenzschalters von Fig. 6 unter­ scheidet sich von demjenigen des Füllstandsgrenzschalters von Fig. 1 in erster Linie hinsichtlich der Ausbildung des De­ tektorstabes 70: dieser ist mit zusätzlichen seitlichen Flos­ sen 71, 72 versehen, so daß er die Form eines Paddels hat. Die Flossen 71 und 72 sind aus flachen Platten gebildet und liegen parallel zur Schwingungsrichtung des Detektorstabs 70. Durch die Anordnung der Flossen 71 und 72 vergrößert sich die mas­ sive Querschnittsfläche des Detektorstabes 70 gegenüber der­ jenigen des Detektorstabes 34 von Fig. 1 erheblich. Damit die zuvor angegebenen Bedingungen für die Kompensation der Momente und Querkräfte auch bei der Ausführungsform von Fig. 6 einge­ halten werden, sind auch die massiven Querschnittsflächen des Kompensationsstabes 73 sowie der Massekörper 74 und 75 ent­ sprechend vergrößert.

Die Funktion des Füllstandsgrenzschalters von Fig. 6 beruht darauf, daß zur Feststellung des Füllstands von flüssigen Füllgütern beim Eintauchen des Detektorstabs in die Flüssig­ keit nicht die Dämpfung der mechanischen Schwingungen, sondern die Änderung der Schwingungsfrequenz zur Feststellung des Füllstands ausgenutzt wird. Diese Frequenzänderung beruht dar­ auf, daß sich die schwingende Masse vergrößert, weil der De­ tektorstab den angrenzenden Teil der Flüssigkeit mitnimmt. Da­ durch wird die Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Schwin­ gungssystems niedriger. Die Flossen 71 und 72 bieten eine grö­ ßere Mitnahmefläche als der runde Detektorstab von Fig. 1, so daß eine größere zusätzliche Flüssigkeitsmasse mitgenommen wird. Dementsprechend verringert sich die Eigenresonanzfre­ quenz um einen größeren Betrag.

Damit die Frequenzänderung als Kennzeichen für das Erreichen des Füllstands ausgewertet werden kann, muß in der zugehörigen elektronischen Schaltung, die wieder dem Schaltbild von Fig. 3 entsprechen kann, die Auswerteschaltung 62 ein Frequenz- Diskriminator sein, der feststellt, ob die Frequenz des Aus­ gangssignals des Verstärkers 60 über oder unter einer Refe­ renzfrequenz liegt. Das Ausgangssignal des Frequenz-Diskrimi­ nators nimmt den einen oder den anderen von zwei Werten an, je nachdem, ob die Frequenz seines Eingangssignals über oder un­ ter der Referenzfrequenz liegt. Die beiden Werte des Ausgangs­ signals des Frequenz-Diskriminators können dann in der zuvor beschriebenen Weise zur Anzeige des Füllstands und/oder zur Auslösung von Schaltvorgängen benutzt werden.

Alle bereits in Fig. 1 vorhandenen Bestandteile des Füll­ standsgrenzschalters von Fig. 6 sind mit den gleichen Bezugs­ zeichen wie in Fig. 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal beschrieben.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform des Füllstands­ grenzschalters dargestellt, die sich von der Ausführungsform von Fig. 1 nur durch die Ausbildung der Massekörper der bei­ den Schwingungselemente und der die Massekörper verbindenden Feder unterscheidet. Die übrigen Teile der Ausführungsform von Fig. 7, die mit denjenigen von Fig. 1 identisch sind, sind in Fig. 7 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 be­ zeichnet und werden nicht nochmals beschrieben.

Zum Unterschied gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 sind in Fig. 4 die Massekörper 80, 81 der beiden Schwingungsele­ mente 26 und 28 gleichachsig zueinander angeordnete zylindri­ sche Körper, deren einander zugewandte radiale Stirnflächen sich in geringem axialen Abstand gegenüberliegen. Die Masse­ körper 80 und 81 sind an diesen Stirnflächen mit einander ge­ genüberliegenden Ausschnitten 82 und 83 versehen, in denen die die Massekörper verbindende Feder 85 angeordnet ist. Die Feder 85 hat bei dieser Ausführungsform ein U-Profil mit parallelen, elastischen Schenkeln, die am einen Ende durch einen verhält­ nismäßig massiven Steg miteinander verbunden sind. Die anderen Enden der Schenkel sind nach außen abgewinkelt und durch Schrauben 86, 87 mit den Massekörpern 80 bzw. 81 verbunden. Die auf diese Weise gebildete Feder 85 hat senkrecht zur Achs­ richtung der Schwingungselemente 26 und 28 eine große Steifig­ keit und parallel zur Achsrichtung der beiden Schwingungsele­ mente 26 und 28 eine geringe Steifigkeit. Sie erfüllt damit die gleiche Funktion wie die Feder 30 von Fig. 1.

Ferner ist aus Fig. 7 zu erkennen, daß die axiale Lange L _{M 1} des Massekörpers 80 gleich der axialen Länge L _{M 2} des Massekör­ pers 81 ist. Da die beiden Massekörper 80 und 81 völlig gleich ausgebildet sind, haben sie auch gleich große massive Quer­ schnittsflächen. Die Stäbe 34 und 38 sind gegenüber der Aus­ führungsform von Fig. 1 unverändert, so daß sowohl ihre Län­ gen L _{S 1}, L _{S 2} als auch ihre massiven Querschnittsflächen gleich groß sind.

Schließlich ist in Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des Füllstandsgrenzschalters dargestellt, die sich von den Ausfuh­ rungsformen von Fig. 1 und 7 wiederum nur durch die Ausbil­ dung der Massekörper und der die Massekörper verbindenden Fe­ der unterscheidet. Die übrigen Teile der Ausführungsform von Fig. 8 sind daher wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 7 bezeichnet und werden nicht nochmals be­ schrieben.

Wie bei der Ausführungsform von Fig. 7 sind in Fig. 8 die Massekörper 90, 91 der beiden Schwingungselemente 26 und 28 gleichachsig zueinander angeordnete zylindrische Körper, die jedoch zusammen mit der Feder in einem Stück aus einem zu­ nächst massiven Metallzylinder dadurch hergestellt worden sind, daß in der senkrecht zur Achse stehenden Mittelebene des Metallzylinders von der einen Seite her ein Schlitz 93 einge­ fräst worden ist. Der Schlitz 93 erstreckt sich über mehr als die Hälfte des Durchmessers des Metallzylinders, und seine Seitenflächen bilden die einander zugewandten Stirnflächen der beiden Massekörper, die sich in geringem Abstand parallel ge­ genüberliegen. Der nicht durch den Schlitz 93 getrennte Teil des Metallzylinders, der die beiden Massekörper 90 und 91 ver­ bindet, bildet die Feder 95, die wieder eine große Steifigkeit senkrecht zur Achsrichtung der Schwingungselemente 26, 28 und eine geringe Steifigkeit in der Achsrichtung der Schwingungs­ elemente hat.

Da die beiden Massekörper 90 und 91 aus einem gemeinsamen Metallzylinder gebildet sind, haben sie natürlich gleich große massive Querschnittsflächen, und ihre axialen Längen L _{M 1}, L _{M 2} sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, gleich groß. Die Stäbe 34 und 38 sind wieder gegenüber den Ausführungsformen von Fi­ gur 1 und 7 unverändert, so daß sowohl ihre Längen L _{S 1}, L _{S 2} als auch ihre masiven Querschnittsflächen gleich groß sind.

Natürlich können auch bei den Ausführungsformen von Fig. 7 und 8 am Detektorstab 34 Flossen 71, 72 der in Fig. 6 darge­ stellten Art angebracht werden, wenn diese Füllstandsgrenz­ schalter zur Feststellung des Füllstands von Flüssigkeiten verwendet werden sollen, wobei dann natürlich die Dimensionie­ rung der Massekörper und des Kompensationsstabes entsprechend gewählt werden muß.

Weitere Abänderungen der beschriebenen Füllstandsgrenzschalter sind für den Fachmann offensichtlich. So können die Massekör­ per sowie das sie aufnehmende Gehäuse auch einen anderen als einen kreisförmigen Umriß haben, beispielsweise einen quadra­ tischen Umriß.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines be­ stimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem mechanischen Schwingungsgebilde, das aus zwei im Abstand zueinander ange­ ordneten Schwingungselementen besteht, von denen jedes im Zen­ trum einer von zwei parallel im Abstand voneinander angeordne­ ten, als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet ist und aus zwei zu beiden Seiten der zugehörigen Membran liegenden Teilen besteht, die so ausgebildet sind, daß der Schwerpunkt jedes Schwingungselements in der Ebene der zugehörigen Membran liegt, wobei die im Zwischenraum zwischen den beiden Membranen lie­ genden Teile der beiden Schwingungselemente Massekörper sind und der auf der anderen Seite der Membran liegende Teil des ersten Schwingungselements ein Stab ist, der als Detektorstab mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn dieses den zu über­ wachenden Füllstand erreicht, mit einem Schwingungserreger, der die beiden Schwingungselemente in gegensinnige Schwingun­ gen um die in den Ebenen der Membranen liegenden Drehachsen versetzt, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude oder der Frequenz der Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwingungselemente an den einander zugewandten Seiten der beiden Massekörper durch eine Feder gekoppelt sind, die senkrecht zur Achsrichtung der Schwingungselemente eine große Steifigkeit und parallel zur Achsrichtung der Schwin­ gungselemente eine geringe Steifigkeit aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger nur auf eines der beiden Schwingungs­ elemente einwirkt, dessen Schwingungen durch die Feder auf das andere Schwingungselement übertragen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Massekörper die gleiche axiale Länge und die gleiche massive Querschnittsfläche haben und daß der auf der anderen Seite der Membran liegende Teil des zweiten Schwin­ gungselements ein Stab ist, der die gleiche Länge und die gleiche massive Querschnittsfläche wie der Stab des ersten Schwingungselementes hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Massekörper mit gegenseitiger axialer Überlappung symmetrisch zueinander zu beiden Seiten der Achse der Schwingungselemente angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Massekörper mit einander gegenüberliegenden Aus­ schnitten versehen sind, in denen die die Massekörper verbin­ dende Feder angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder ein stab- oder blattförmiges elastisches Teil ist, das in seiner Längsrichtung eine große und quer zu seiner Längsrichtung eine geringe Steifigkeit hat und das quer zur Achsrichtung der Schwingungselemente angeordnet und an jedem Ende mit einem der Massekörper verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Massekörper gleichachsig zueinan­ der mit axialem Abstand zwischen den einander zugewandten Stirnflächen angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Massekörper an den einander zugewandten Stirnflä­ chen mit Ausschnitten versehen sind, in denen die die Masse­ körper verbindende Feder angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder ein U-förmiges Teil mit zwei elastischen Schenkeln ist, die in ihrer Längsrichtung eine große und quer zu ihrer Längsrichtung eine geringe Steifigkeit haben, daß die Feder so angeordnet ist, daß die Schenkel quer zur Achsrichtung der Schwingungselemente liegen, und daß die Schenkel an ihren freien Enden jeweils mit einem der beiden Massekörper verbun­ den sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Massekörper und die sie verbindende Feder aus einem massiven Metallblock durch einen sich über mehr als die Hälfte des Querschnitts des Metallblocks erstreckenden, senkrecht zur Achse des Metallblocks in dessen Mittelebene eingeschnittenen Schlitz gebildet sind.