DE4104177A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen des fuellstands - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Füllstands mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zum Messen des Füllstands in einem Behälter.

Eine derartige Füllstand-Meßvorrichtung ist aus der DE 35 33 070 A1 bekannt. Hierbei sind zur Füllstandsanzeige in der Ausmauerung oder einer Aussparung an der Wandung eines Bunkers mehrere in horizontaler Richtung messende Druckmeßdosen mit Dehnmeßstreifen eingesetzt, deren Meßwerte über Kabel an entfernt liegende Überwachungsstellen übermittelt werden. Die Herstellung derartiger Aussparungen und die Montage der Druckmeßdosen ist jedoch sehr aufwendig und arbeitsintensiv. Zudem können zwischen den Aussparungen und den Druckmeßdosen Dichtigkeitsprobleme, insbesondere bei feinem oder mit Flüssigkeit versetztem Füllgut entstehen, so daß dort eindringendes Füllgut die Freigängigkeit der plattenartigen Membran behindert und zu Meßwertverfälschungen führt.

Ähnliches gilt für die Druckmeßzelle gemäß der EP-A-02 55 084, die in einem Behälter plan zu dessen Innenwand eingesetzt ist, so daß der im Behälter herrschende Druck eine Kolbenfläche beaufschlagt und über ein elastomeres Material gleichförmig an einen Drucksensor mit einer Meßmembran weitergeleitet wird. Der Drucksensor ist mit einer Auswerteschaltung verbunden, so daß dessen Meßwerte angezeigt und ausgewertet werden können. Dabei ist ebenfalls nachteilig, daß für die Druckmeßzelle eine Öffnung im Behälter vorgesehen werden muß und insbesondere bei fließfähigem Füllgut in aufwendiger Weise abgedichtet werden muß. Aufgrund des großen Montageaufwandes werden deshalb im allgemeinen nur wenige Meßstellen vorgesehen, was jedoch dann zu Meßungenauigkeiten hinsichtlich des Behälter-Füllstandes führt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu installierende Vorrichtung zum Messen des Füllstands zu schaffen, die zudem eine höhere Meßgenauigkeit ermöglicht. Weiterhin soll ein Verfahren zum Messen des Füllstandes mit einer höheren Meßgenauigkeit und Meßsicherheit angegeben werden.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 20.

Durch die Anordnung der Druckmeßzellen auf einem in den Behälter eintauchbaren Trägerelement entfallen Einführ- oder Montageöffnungen für die Druckmeßzellen, so daß an der Behälterwand keine zusätzlichen, schwer abzudichtenden Öffnungen oder Bohrungen hergestellt werden müssen. Hierdurch wird der Installationsaufwand der Füllstand-Meßvorrichtung erheblich reduziert. Durch die Anordnung von mehreren Druckmeßzellen in einem vorbestimmten vertikalen Abstand zueinander an dem gemeinsamen Trägerelement wird zudem die Meßgenauigkeit beträchtlich erhöht, da der Abstand der Druckmeßzellen bei der fabrikmäßigen Herstellung des Trägerelements bedeutend genauer eingehalten werden kann als bei einer Montage auf der Baustelle, so daß die einzelnen Meßwerte genauer miteinander verglichen und "gemittelt" werden können. Zudem ermöglicht der vorbestimmte feste Abstand zwischen den Druckmeßzellen eine jeweilige Kontrolle der benachbarten Druckmeßzelle, da der gegenseitige Abstand in der Auswerteschaltung mit berücksichtigt werden kann.

In vorteilhafter Weise sind zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit alle Druckmeßzellen in Vertikalrichtung in einem festgelegten, vorzugsweise gleichmäßigen gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet. Hierbei werden bei einem größeren Bunker oder Behälter beispielsweise zwanzig Druckmeßzellen in die Messung miteinbezogen, so daß unter Berücksichtigung der jeweiligen Position der Druckmeßzelle und des jeweiligen Abstandes von dem tatsächlichen Füllstand die Meßwerte miteinander verglichen und "gemittelt" werden können. Hierbei lassen sich auch fehlerhafte Druckmeßzellen durch das weiter unten beschriebene Meßverfahren in der Auswerteschaltung ausfindig machen, so daß zudem eine höhere Betriebs- und Meßsicherheit erreicht wird.

In einer bevorzugten Ausführung ist das gemeinsame Trägerelement mit seinen Druckmeßzellen an der Behälterinnenwand befestigt oder zentral im Behälter an einer oberen Abstützung am Behälter hängend angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Installation der Füllstand-Meßvorrichtung durch Eintauchen in den Behälter. Sofern es sich um leicht fließfähiges Füllgut oder um eine Flüssigkeit handelt, kann die Füllstand-Meßvorrichtung bei der letzten Alternative sogar noch bei bereits gefülltem Behälter von oben her in diesen eingeführt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei insbesondere auf die Ausführung des Drucksensors mit einem mit Elastomer gefüllten Ringspalt hingewiesen wird, da hierbei das elastomere Material sowohl für eine sorgfältige Abdichtung als auch für eine reibungsfreie und genaue Druckweiterleitung an die Meßmembran sorgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert:

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Behälter mit einer ersten Ausführung der Vorrichtung zum Messen des Füllstandes;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Behälter mit einer weiteren Ausführungsform der Füllstand-Meßvorrichtung mit zugehörigem schematischem Meßwert-Diagramm;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2 durch das Trägerelement;

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere Abwandlung im Querschnitt.

In Fig. 1 ist ein Behälter 1 beispielsweise zur Aufnahme von Schüttgut schematisch dargestellt, der eine hier schraffiert dargestellte Behälterinnenwand 2 aufweist. Im Innern des Behälters ist Füllgut 3 eingefüllt, beispielsweise Flüssigkeit oder Schüttgut, das über einen Auslauftrichter 4 nach unten austreten kann. In das Füllgut 3 sind mehrere Druckmeßzellen 5 eingetaucht, die in einem bestimmten, vorzugsweise gleichmäßigen vertikalen Abstand a zueinander angeordnet sind. Die punktförmigen Druckmeßzellen 5 sind an einem länglichen Trägerelement 6 angeordnet, das beispielsweise aus einer Profilschiene 6a (vgl. Fig. 4) gebildet ist. Es sei darauf hingewiesen, daß das Trägerelement und/oder die Versteifung auch einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen kann. Das Trägerelement 6 ist an einer oberen Abstützung 1a hängend angeordnet. Um Meßwertverfälschungen durch Schüttgutbewegungen auszuschließen, ist das Trägerelement 6 in seiner vertikalen Längserstreckung zwar zugfest ausgebildet, jedoch in Querrichtung (hier senkrecht zur Zeichenebene) dazu (vgl. Darstellung in den Fig. 3 bis 5) relativ biegeweich ausgebildet, so daß Verformungen des Trägerelementes 6 an der Druckmeßzelle 5 keine Meßwertverfälschungen hervorrufen. In der vertikalen Längsrichtung ist das Trägerelement 6 für die Druckmeßzellen 5 bevorzugt mit zusätzlichen Verstärkungs­ einlagen 7 (vgl. Fig. 3) versehen, so daß die Druckmeßzellen 5 immer auf der gleichen Höhenlage, entsprechend einem bestimmten Füllstand verbleiben.

In Fig. 2 ist eine alternative Anordnung des Trägerelementes 6 für die Druckmeßzellen 5 dargestellt. Hierbei ist das Trägerelement 6 an der Behälterinnenwand 2 befestigt, beispielsweise aufgeschweißt oder aufgeklebt. Eine der Druckmeßzellen 5 etwa auf halber Höhe innerhalb des Trägerelementes 6 ist als Teilschnitt schematisch gezeigt. Bei dem dargestellten Füllstand des Füllgutes 3 innerhalb des Behälters 1 ergibt sich im wesentlichen die in Fig. 2 rechts als schematisches Diagramm dargestellte Meßwertverteilung, wonach die im Auslauftrichter 4 am tiefsten angeordnete Druckmeßzelle 5 entsprechend dem statischen Druck den höchsten Meßwert anzeigt. Die Meßwertanzeige nimmt entsprechend der Höhenlage der einzelnen Druckmeßzellen 5 kontinuierlich ab. Bei gleichmäßiger Auslegung und gleichmäßigem Abstand a der Druckmeßzellen 5 ergeben sich Meßwerte, die entsprechend dem Diagramm etwa auf einer Geraden als Meßkurve b liegen.

Deren Schnittpunkt mit der Ordinate ergibt damit den Füllstand h₁. Sollte eine der Druckmeßzellen 5 im Laufe der Zeit defekt sein, so würde deren Meßwert weit unterhalb oder oberhalb der als Geraden dargestellten Meßkurve b liegen, so daß diese Druckmeßzelle erkannt werden kann und für das Gesamtmeßergebnis nicht berücksichtigt wird. Durch die Vielzahl der Meßstellen kann mit den einzelnen Meßwerten die Meßkurve b und deren Verlauf, insbesondere deren Steigung festgelegt werden, so daß sich eine besonders hohe Meßgenauigkeit und Meßsicherheit ergibt. Diese Auswertung läßt sich mit bekannten Summier- bzw. Integriermethoden mit Hilfe eines ebenfalls bekannten Rechners ohne weiteres durchführen.

Es sei hier angenommen, daß die unterste Druckmeßzelle 5 im Auslauftrichter 4 einen Meßwert von z. B. 60 bar anzeigt. Die nach oben folgenden Meßwerte seien dann 50 bar, 40 bar, 30 bar, 20 bar und 10 bar, so daß sich eine Gerade b mit einer Steigung von 60° zur Ordinate hin ergibt. Fällt nun beim Entleeren der Füllstand, wie dies gestrichelt angedeutet ist, so wird die unter der Schnittlinie A-A liegende Druckmeßzelle nicht mehr beaufschlagt und die einzelnen Meßwerte liegen z. B. um je 10 bar tiefer. Auch dann muß sich wiederum der Kurvenverlauf der Meßkurve b hier als Gerade b′ zeigen, deren Schnittpunkt mit der Ordinate den Füllstand h₂ ergibt.

Die Meßkurven b und b′ usw. bilden somit eine zueinander parallele Kurvenschar, so daß Abweichungen hiervon in der Auswerteschaltung feststellbar sind.

Selbstverständlich können die Meßkurven b abhängig von der Behälterform und der Anordnung der Druckmeßzellen auch Parabelabschnitte oder andere gekrümmte Kurven darstellen. Die Festlegung der für die späteren laufenden Füllstandsmessungen repräsentativen und charakteristischen Kurvenform (hier der Geraden b mit der Steigung 60°) und der Kurvenschar erfolgt dabei bevorzugt bei vollständig gefülltem Behälter 1, da hierbei alle Druckmeßzellen 5 Meßwerte liefern und somit die Festlegung der Meßkurve mit möglichst vielen Meßwerten am zuverlässigsten erfolgt. Die Kurvenform kann jedoch neben dieser empirischen Ermittlung auch durch Simulation in einem verkleinerten Maßstab festgelegt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß für eine grobe Füllstandsmessung es auch ausreicht, nur die jeweils mit Druck beaufschlagten Druckmeßzellen 5, jedoch nicht deren exakten Meßwert zu erfassen, so daß der gegenseitige Abstand a zwischen den einzelnen Druckmeßzellen 5 die Skala für die erreichbare Meßgenauigkeit hinsichtlich des Füllstandes ergibt. In dem hier dargestellten Beispiel ist die Druckmeßzelle 5, durch die die Querschnittslinie A-A verläuft noch nicht vom Füllgut 3 beaufschlagt, während die darunterliegende Druckmeßzelle 5 bereits beaufschlagt ist. Hierdurch kann der Füllstand zwischen diesen beiden Druckmeßzellen angegeben werden, da deren Höhenlage durch die ortsfeste Anordnung am Trägerlement 6 bekannt ist.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Trägerelement 6 entlang der Querschnittslinie A-A dargestellt. Das Trägerelement 6 besteht im wesentlichen aus der Profilschiene 6a, die bevorzugt H-förmig ausgebildet ist und zwei Seitenstege 6c und einen Verbindungssteg 6b aufweist. Das Trägerelement 6 ist mittels abgekanteter Enden des Seitensteges 6c an der Behälterinnen­ wand 2 geschweißt oder geklebt, ggf. auch an wenigen Stellen geschraubt, wie dies in der linken Hälfte von Fig. 3 angedeutet ist. Hierbei reichen z. B. einige Schraubstellen im oberen Bereich des Behälters 1 aus, der im allgemeinen leicht zugänglich ist. In den Verbindungssteg 6b ist die Druckmeß­ zelle 5 eingesetzt, die gegenüber dem Füllgut 3 mit einer dauerelastischen Ummantelung 8 hermetisch abgedichtet ist. Die Druckmeßzelle 5 weist in bevorzugter Ausführung an der vom Druck (p) abgewandten Seite einen Drucksensor 9 auf, der mit ebenfalls innerhalb des Trägerelementes 6 verlaufenden Auswertekabeln 10 mit der nicht näher dargestellten Auswerteschaltung z. B. ein an sich bekannter Mikroprozessor verbunden ist. Um Meßwertverfälschungen aufgrund von Durchbiegungen an der Profilschiene 6a zu vermeiden, sind an der Rückseite des Drucksensors 9 Verstärkungseinlagen 7, insbesondere aus hochzugfesten Karbon- oder Glasfasern vorgesehen. Die Verstärkungseinlagen 7 können auch im Bereich der Seitenstege 6c vorgesehen sein und auch durch hochfeste Ummantelungen der Auswertekabel 10 gebildet sein bzw. umgekehrt die Verstärkungseinlagen 7 zugleich als signalübertragende Auswertekabel ausgestaltet sein.

In dem Verbindungssteg 6b ist eine hutförmige Halterung 11 eingesetzt, in die wiederum der Drucksensor 9 eingesetzt ist.

In Fig. 4 ist ebenfalls ein Querschnitt entlang der Querschnittslinie A-A in Fig. 4, jedoch in einer abgewandelten Ausführung des Trägerelementes 6 dargestellt. Hierbei ist die Profilschiene 6a allseitig von Ummantelungsmaterial 8 umgeben und eignet sich insbesondere für den hängenden Einsatz, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Der Drucksensor 9 besteht im wesentlichen aus einem hutförmigen, keramischen Sensorkörper 9a, mit einer dünnen Meßmembran 9b, an deren Rückseite an sich bekannte DMS-Meßstreifen, bevorzugt in Dickschichttechnik vorgesehen sind, die eine dem Druck p und damit der Verformung an der Meßmembran 9b proportionale Widerstandsänderung erzeugen und über die Auswertekabel 10 an die Auswerteschaltung weitergeben. Die Druckeinleitung erfolgt hierbei über eine Druckeinleitungsplatte 14, die an ihrem Außenumfang über einen mit elastomerem Material gefüllten Ringspalt 15 in der Halterung 11 reibungsarm geführt ist. Das elastomere Material ist im Ringspalt 15 festhaftend, insbesondere vulkanisiert und blasenfrei eingebracht, wie dies in den älteren Anmeldungen P 40 02 910 und P 40 03 048, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird, beschrieben wird. Hierdurch wird bereits eine vergleichsmäßige Druckeinleitung bewirkt, wobei durch einen weiteren Ringspalt 13, der ebenfalls wieder mit dem oben beschriebenen Elsatomer gefüllt ist, eine weitere Vergleichmäßigung erreicht wird. In den Ringspalt 13 ist ein mit der Druckeinleitungsplatte 14 verbundener kolbenartiger Zapfen 12 eingesetzt, der über das Elastomer an seinem Bodenbereich auf die Membran 96 wirkt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei die Profilschiene 6a in Art einer Leiste oder eines Gurtes relativ flach ausgebildet ist, so daß diese um die Achse c relativ biegeweich ist, und somit das Trägerelement 6 ohne Meßwertverfälschungen auch an nicht vollständig ebene Behälterinnenwände 2 angepaßt werden kann. Damit kann das Trägerelement 6 sogar aufgerollt werden und als Rollenware aufbewahrt und transportiert werden. Bei der freihängenden Ausführung gemäß Fig. 1 ermöglicht die biegeweiche Ausführung eine gewisse Auslenkung ohne Meßwertverfälschung. Die Höhe der Druckmeßzellen 5 bleibt jedoch aufgrund der zugfesten Verstärkungseinlagen konstant.

Im Gegensatz zu den beiden vorhergehenden Ausführungsformen ist hier die Druckmeßzelle 5 ohne zusätzliche Druckeinleitungsplatte 14 und Zapfen 12 ausgestaltet. Vielmehr wirkt hier das Ummantelungsmaterial 8 bei Druckbeaufschlagung direkt auf den Sensorkörper 9a und die Membran 9b. Es sei darauf hingewiesen, daß bei allen Ausführungsbeispielen die Druckmeßzellen 5 vollständig im Trägerelement 6 abgekapselt sind, so daß das Füllgut 3 diese nicht beschädigen kann. Somit ergibt sich eine sehr verschleißfeste und robuste Meßvorrichtung mit hoher Meßgenauigkeit und Meßsicherheit.

Claims (21)

1. Vorrichtung zum Messen des Füllstands in einem mit Füllgut gefüllten Behälter, mit mehreren Druckmeßzellen, die von dem Füllgut beaufschlagt werden und jeweils einen Drucksensor aufweisen, der mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßzellen (5) in einem vorbestimmten vertikalen Abstand (a) zueinander auf einem in den Behälter (1) eintauchbaren gemeinsamen Trägerelement (6) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßzellen (5) einen gleichmäßigen gegenseitigen Abstand (a) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) an der Behälterinnenwand (2) befestigbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) im Behälter (1) an einer oberen Abstützung (1a) hängend angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) etwa in der Mitte des Behälters (1) eintauchend angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) in Vertikalrichtung zugfest und in einer Querrichtung (c) hierzu biegeweich ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) als längliche Profilschiene (6a) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) an der vom Füllgut (3) abgewandten Seite der Druckmeßzellen (5) hochzugfeste Verstärkungseinlagen (7), vornehmlich aus Karbon- oder Glasfasern aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) zumindest im Bereich der Druckmeßzellen (5) eine nachgiebige, dauerelastische Ummantelung (8) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) allseitig in eine nachgiebige Ummantelung (8) eingegossen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilschiene (6a) einen H-förmigen Querschnitt aufweist, an dessen Verbindungssteg (6b) die Druckmeßzellen (5) eingesetzt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Füllgut (3) zugewandte Bereich zwischen den Seitenstegen (6c) der Profilschiene (6a) und der dem Füllgut (3) abgewandte Bereich zwischen den Seitenstegen (6c) mit Ummantelungsmaterial (8) verfüllt sind, sowie im vom Füllgut (3) abgewandten Bereich Verstärkungseinlagen (7) miteingegossen sind.

13. Vorrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßzellen (5) über Auswertekabel (10) mit der Auswerteschaltung verbunden sind, wobei die Auswertekabel (10) in das Ummantelungsmaterial (8) des Trägerelementes (6) miteingegossen sind.

14. Vorrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen die Meßwerte der Druckmeßzellen (5) summierenden und/oder integrierenden Mikroprozessor aufweist.

15. Vorrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßzelle (5) eine Halterung (11) mit hutförmigem Querschnitt aufweist und in das Trägerelement (6) eingesetzt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in die Halterung (11) als Drucksensor (9) ein ebenfalls hutförmiger keramischer Sensorkörper (9a) mit einer Meßmembran (9b) eingesetzt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in den keramischen Sensorkörper (9a) ein Zapfen (12) unter Zwischenschaltung eines mit elastomerem Material gefüllten Ringspaltes (13) eingesetzt ist, wobei der Zapfen (12) an dem von der Meßmembran (9b) abgewandten Ende eine durchmessergrößere Druckeinleitungsplatte (14) zur Druckübersetzung trägt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinleitungsplatte (14) in der Halterung (11) unter Zwischenschaltung eines zweiten ebenfalls mit elastomerem Material gefüllten Ringspaltes (15) geführt ist.

19. Vorrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägerelement (6) im vertikalen Wandbereich des Behälters (1) und daran anschließend ein zweites Trägerelement (6) im konischen Auslaufbereich (4) des Behälters (1) angeordnet ist.

20. Verfahren zum Messen des Füllstandes in einem mit Füllgut gefüllten Behälter unter Verwendung mehrerer vertikal beabstandeter Druckmeßzellen, insbesondere der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Verlauf, insbesondere die Steigung einer Meßkurve (b) festgelegt wird, deren Schnittpunkt mit der Ordinate den jeweiligen Füllstand (h₁, h₂) angibt, und die Einzelmeßwerte bei der weiteren Füllstandsmessung auf die Einhaltung des Verlaufes der Meßkurve (b) überprüft werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Festlegung der Meßkurve (b) bei gefülltem Behälter (1) erfolgt.