DE4320411C2

DE4320411C2 - Vorrichtung zum Feststellen des Erreichens eines vorgegebenen Füllstandes mit einem Schwingstab

Info

Publication number: DE4320411C2
Application number: DE19934320411
Authority: DE
Inventors: Hans Schmidt; Rudolf Suetterlin
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2013-06-23
Also published as: DE4320411C1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststel len des Erreichens eines Füllstandes eines Mediums, vorzugsweise innerhalb eines Behälters, mit mindestens einem Schwingstab gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Durch die DE 17 73 815 A1 ist eine Vorrichtung zur Feststellung des Füllstandes eines Behälters bekanntge worden, die eine Sonde mit einem in den Behälter ra genden Schwingstab, eine Einrichtung zur Erregung von mechanischen Eigenschwingungen des Schwingsta bes und eine Anzeigeeinrichtung aufweist. Zum Schwingstab ist parallel ein zweiter Schwingstab vorge sehen, wobei beide Stäbe in gegensinnige Schwingun gen versetzt werden. Des weiteren sind zwei elektrome chanische Wandler vorgesehen, die die Schwingungen der Stäbe in elektrische Signale umwandeln, deren Am plitude von der Schwingungsamplitude der Stäbe ab hängt.

Durch die DE 30 44 354 C2 ist ein Verfahren zur Fest stellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstan des in einem Behälter mittels eines in den Behälter ra genden Schwingstabs bekanntgeworden, dessen freies Ende auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes liegt und der mittels einer Erregungsvorrichtung zu Biege schwingungen angeregt wird, wobei der Schwingstab von der Erregungsvorrichtung intermittierend mit Im pulsen erregt wird. Es wird die Abklingzeitdauer der Schwingung des Stabes gemessen, in der die Amplitude des schwingenden Stabes in der Pause zwischen zwei Erregungsimpulsen bis zu einem vorbestimmten Schwellenwert absinkt. Das Erreichen des Füllstandes wird dann gemeldet, sobald die gemessene Abklingzeit dauer unter eine vorgegebene Zeitdauer abgesunken ist.

Diesem Verfahren haftet der Nachteil an, daß die Schwingstäbe zum Erreichen eines Ergebnisses mehr fach erregt werden müssen, so daß es z. B. bei nicht exakter Taktrate zu störenden Interferenzen der Stäbe kommen kann. Des weiteren benötigt die Auswerte schaltung einen erheblichen elektronischen Aufwand, um die Abklingamplitude der schwingenden Stäbe ge nau zu erfassen.

Des weiteren ist durch die DE 35 16 200 A1 ein Ver fahren zur Füllstandskontrolle bekanntgeworden, bei dem Schwingungen einer Schwingungseinrichtung in Abhängigkeit vom Füllstand des zu überwachenden Füllmediums bedämpft werden, die Schwingungsein richtung durch Impulse intermittierend zu Schwingun gen angeregt wird und nach den Impulsen das Abkling verhalten, der Schwingungen zur Niveausignalbildung genutzt wird. Während eines Teilabschnittes der Ab klingzeit wird die Amplitude der abklingenden Schwin gungen gemessen und diese mit einem vorbestimmten Amplituden-Schwellenwert verglichen; bei Überschrei tung des Amplituden-Schwellenwertes wird ein Signal abgegeben, welches vorzugsweise gleichgerichtet wird. Die Signalgabe erfolgt beschränkt auf den Teilabschnitt der Abklingzeit, innerhalb der die zeitliche Erschei nungsfolge des Signals überprüft wird und bei einer der zeitlichen Impulsfolge im wesentlichen entsprechenden Erscheinungsfolge ein Niveausignal gegeben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die Stoßerregung der Schwingstäbe von der Abfrage des Sensors zum Erfassen der Antwortsignale getrennt ist und die mit geringem elektrischen Aufwand eine exakte und genau reproduzierbare Erfassung des Füllstandes von verschiedenen Medien - mehr oder weniger flüssig oder fest als Schüttgut - bewerkstelligt.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentan spruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung sind in den übrigen Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den Vor teil, daß die Stoßerregung der Schwingstäbe - sei sie elektrisch oder mechanisch - von der Abfrage des Sen sors zum Erfassen der Antwortsignale getrennt ist. Da durch ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Vor richtung verschiedensten Erfassungs-Lösungen von Meßgrößen der Füllstandstechnik anzupassen.

Dadurch gestattet die Vorrichtung in vorteilhafter Weise mit einem geringeren elektrischen Aufwand eine exakte und genau reproduzierbare Erfassung des Füll standes von verschiedenen Medien, weil keine Amplitu denmessung mehr erfolgt, sondern nur Zeitabstände von elektrischen Antwortsignalen, abgeleitet von Schwingungsimpulsen eines Schwingstabes, gemessen werden, was mit einfacheren Mitteln elektronisch zu bewerkstelligen ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung zur Erregung des Schwingstabes mit einem einzigen Erregungsimpuls für denselben aus kommen kann, wodurch die Erregungseinrichtung für den Schwingstab technisch einfach ausgeführt sein kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit zwei parallelen Schwing stäben;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Funk tionsprinzips;

Fig. 3 eine weitere Vorrichtung mit zwei parallelen Schwingstäben;

Fig. 4 die Darstellung des zeitlichen Verlaufs ver schiedener Impulse und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung, die in der Vorrichtung der Fig. 1 zur Anwendung gelangt.

Die Vorrichtung gemäß der Fig. 1 besteht beispiels weise aus zwei parallel angeordneten Schwingstäben 1, 2, die den Boden 4 eines Gehäuses 3 durchstoßen und im Boden 4 dicht gehaltert, beispielsweise in den Boden 4 eingeschweißt, sind; der Boden 4 dient praktisch nur als Lagerstelle. Die massiven, freien, nach außen ragenden Enden der Schwingstäbe 1, 2 tauchen in ein zu detektie rendes Medium ein, beispielsweise flüssiges oder festes Medium in Form eines Schüttgutes, welches sich zum Beispiel in einem nicht gezeigten Behälter befindet.

Zwischen den oberen Enden der Schwingstäbe 1, 2 ist eine elektrische Spule 5 angeordnet, die mittels eines Erregerstromkreises erregt werden kann. Die Schwing stäbe 1, 2 tragen an ihren im Bereich der Spule befindli chen Enden je einen Stab aus ferromagnetischem Mate rial, beispielsweise Weicheisenstäbe 6, 6', die als Weich eisenkerne in den Einflußbereich des magnetischen Fel des der Spule 5 beweglich einzutauchen imstande sind.

Dazu können die Stäbe 6, 6' zum Beispiel innerhalb der Schwingstäbe 1, 2 axial in einer Flucht angeordnet sein, wobei die beiden Weicheisenstäbe 6, 6' von entge gengesetzten Seiten an das Loch der Spule 5 heranra gen oder in das Loch der Spule 5 hineinragen, so daß bei Erregung der Spule 5 die Weicheisenstäbe 6, 6' unter Mitnahme der Schwingstäbe 1, 2 in den Einflußbereich des magnetischen Feldes der Spule 5 einzutauchen im stande sind.

Bei der Aufgabe eines kurzzeitigen Stromimpulses bzw. Stromstoßes auf die Spule 5 werden somit die En den der Schwingstäbe 1, 2 aufeinander zu bewegt bzw. angestoßen und schwingen nach Abfallen des Spulen stromes unter Erregen der gesamten Schwingstäbe 1, 2 frei aus. Die Schwingungsimpulse der Schwingstäbe 1, 2, die sich dem Boden 4 des Gehäuses 3 mitteilen, werden mittels eines Sensors 11 aufgefangen, der beispielsweise ein Piezoempfänger 11 ist und der auf dem Boden 4 innerhalb des Gehäuses 3 zwischen den Durchgängen der Schwingstäbe 1, 2 angeordnet sein kann. Die elektri sche Auswertung der elektrischen Anwortsignale des Sensors 11 kann unmittelbar nach dem Einsetzen der mechanischen Schwingungen der Schwingstäbe 1, 2 er folgen, weshalb es auf die Amplitude oder Stärke o. ä. der Schwingungen der Schwingstäbe 1, 2 prinzipiell nicht ankommt.

Die elektrischen Antwortsignale des Sensors 11 als Antwort auf die mechanischen Schwingungsimpulse der Schwingstäbe 1, 2 sind dem Weg und der Zeit der Schwingungsimpulse der Schwingstäbe 1, 2 proportio nal, weshalb die Dauer der entstehenden elektrischen Antwortsignale bzw. Impulse ein Maß für die Auslen kung bzw. Dauer der Schwingungsimpulse der frei schwingenden Schwingstäbe 1, 2 sind; die zeitliche Dau er dieser elektrischen Antwortsignale wird erfindungs gemäß ausgewertet. Denn aus dieser Dauer ist ersicht lich, ob bei der Auslenkung den Schwingstäben 1, 2 ein Widerstand entgegensteht, z. B. ob eine Flüssigkeit sich im Bereich des Paddels der Schwingstäbe 1, 2 befindet.

In Fig. 2 ist das Funktionsprinzip der Vorrichtung ge mäß Fig. 1 dargestellt. Ein elektrischer Schaltkreis 8 wird geschlossen und dadurch die Spannung U_B kurz zeitig an die Spule 5 gelegt, die dadurch einen Impuls 7 auf die Schwingstäbe 1, 2 ausübt. Der elektrische Schalt kreis 8 sowie die Spule 5 stellen in Zusammenhang mit den Weicheisenstäben 6, 6' innerhalb der Enden der Schwingstäbe 1, 2 einen Impulsgenerator 7 dar.

Die vom Piezoempfänger 11 gelieferten elektrischen Antwortsignale werden auf eine Auswerteschaltung 9 gegeben, wobei der Auswerteschaltung 9 gleichzeitig der Impuls des Impulsgenerators 7 sowie das Span nungssignal der Spule 5 aufgegeben werden können. Mit der Bezugsziffer 10 ist das Ausgangssignal der Aus werteschaltung 9 gekennzeichnet.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Meßverlauf durch die Darstellung des zeitlichen Verlaufs der verschiedenen Impulse. In der oberen Darstellung 4a ist ein Impuls des Impulsgenerators 7 dargestellt, der das Zeitintervall T andauert und der dadurch die Stäbe 1, 2 zu Schwingun gen anregt. In der Fig. 4b ist eine Signalantwort des Piezoempfängers 11 in Form einer Impulsfolge bei un bedämpft frei bzw. in Luft schwingenden Schwingstä ben 1, 2 wiedergegeben. Dabei haben zwei aufeinander folgende Impulse der Signalantwort des Piezoempfän gers 11 - entsprechend zwei Schwingungsimpulsen der Stäbe 1, 2 - den charakteristischen zeitlichen Abstand t_ref, wobei aus Fig. 4b gilt: t₃ - t₂ = t_ref.

Als Bezugsintervall kann jede beliebige Dämpfung vorgegeben werden, beispielsweise kann als Bezugsin tervall dasjenige Zeitintervall gewählt werden, welches sich einstellt, wenn die Schwingstäbe durch Luft und somit praktisch gar nicht von außen oder durch eine vorgegebene Flüssigkeit bedämpft werden; ebenso kann das Bezugsintervall aus einer Mehrzahl von auf einanderfolgenden Impulsen bestehen.

In Fig. 4c ist ein elektrisches Antwortsignal des Pie zoempfängers 11 in Form einer Impulsfolge dargestellt, die sich einstellt, wenn die Schwingstäbe 1, 2 während des Schwingvorganges aufgrund des Vorhandenseins eines spezifischen Mediums bedämpft werden. Entspre chend dem Spezifikum des Mediums - mehr oder we niger flüssig oder mehr oder weniger locker als Schütt gut - zeigen nämlich die Impulsfolgen charakteristi sche Unterschiede in ihrer zeitlichen Länge des Einzel pulses und/oder ihrem zeitlichen Abstand der einzelnen Impulse voneinander, wobei sich der Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse verändert und somit das Zeitintervall t_x erhalten wird, wobei aus Fig. 4c gilt: t₅ - t₄ = t_X.

Aufgrund der Differenzbildung zwischen dem Zeitin tervall t_x bei Bedämpfung der Schwingstäbe 1, 2 mittels des Mediums und dem Zeitintervall t_ref bei unbedämpf ten Schwingstäben 1, 2 können Rückschlüsse auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Mediums bzw. auf den Füllstand des Mediums gezogen werden.

Beispielsweise gilt für Flüssigkeiten:
wenn t_x < t_ref bedeutet: Schwingstäbe bzw. Detektor bedämpft
wenn t_x < t_refbedeutet: Störung, z. B. Schwingstäbe defekt.

Für Schüttgut gilt gleichermaßen:
wenn t_x < t_ref bedeutet: Schwingstäbe bzw. Detektor bedämpft.

Es kann vorteilhaft sein, ein Hystere-Zeitintervall t_hys einzuführen, damit eine eindeutige Schaltaussage auch dann erreicht werden kann, wenn t_x ≈ t_ref und nur ge rinfügig größer sein sollte.

Der Schwingstab oder die Schwingstäbe 1, 2, 18, 18' wird bzw. werden mit einem einzigen elektrischen Impuls zu Schwingungen angeregt werden, der zyklisch - nach erfolgter Auswertung des vorhergehenden elektrischen Impulses - wiederholt wird. Die Wiederholzeit braucht des weiteren nicht zyklisch zu sein, sondern kann belie big vorgegeben werden, beispielsweise von anderen Schaltgrößen abhängen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Auswerteschal tung, wie sie in der Vorrichtung der Fig. 1 zur Anwen dung gelangen kann. Die Auswerteschaltung ist ein Mi crocontroller 9, an den ein Referenzzeitgeber 12 ange schlossen ist oder der innerhalb des Microcontrollers 9 integriert ist und der das Referenzzeitintervall t_ref (t₃ - t₂) liefert. Gleichzeitig ist an den Microcontroller ein Wahlschalter 13 für Flüssigkeit oder Schüttgut ange schlossen. Ein Schaltverstärker 14 ist über eine Leitung 15 vom Microcontroller 9 angesteuert, wobei der Schaltverstärker 14 auf den elektromagnetischen An trieb 5 einwirkt. An den Piezoempfänger 11 ist ein Kom parator 16 angeschlossen, dessen Ausgang ebenfalls auf den Microcontroller 9 gelegt ist.

Der Ausgang des Microcontrollers 9 ist auf eine An zeige- und Meldeeinrichtung 17 gelegt zum Anzeigen und Melden des Meßergebnisses.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung, bei der zwei Schwingstäbe 18, 18' stirnseitig von außen an den Boden 4 des Gehäuses 3 angeschweißt sind. Im Innern des Gehäuses 3 ist zwischen den Schwingstäben 18, 18' ein Stab 19 befestigt, beispielsweise aufge schweißt, der zentrisch durch das Loch der Spule 3 ge führt ist. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche inter mittierende Erregung der Schwingstäbe 18, 18' möglich, wenn die Spule 3 mit intermittierenden Stromstößen, die keine Wechselspannung darstellen, beaufschlagt wird, wobei die Schwingimpulse wiederum mittels eines Sensors 11 detektiert werden können.

Vorteilhaft können die Schwingstäbe nach dem Durchgang durch den Boden des Gehäuses innerhalb desselben als Röhren gestaltet sein, wodurch das Schwingverhalten der Schwingstäbe verbessert wird; die frei nach außen in das Medium ragenden Teile der Schwingstäbe sind vorzugsweise massiv ausgeführt.

Gewerbliche Anwendbarkeit:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen des Erreichens eines vorgegebenen Füllstandes und das Verfahren hierzu gelangen insbesondere in der Füll standstechnik zum Einsatz.

Bezugszeichenliste

1, 2

Schwingstäbe

3

Gehäuse

4

Boden des Gehäuses

5

Spule

6, 6'

Stäbe aus ferromagnetischem Material

7

Impulsgenerator

8

elektrischer Schaltkreis

9

Auswerteschaltung oder Microcontroller

10

Ausgangssignal

11

Piezoempfänger

12

Referenzzeitgeber

13

Wahlschalter

14

Schaltverstärker

15

Verbindungsleitung

16

Komparator

17

Anzeige- und Meldeeinrichtung

18, 18'

Schwingstäbe

Claims

1. Vorrichtung zum Feststellen des Erreichens eines Füllstandes eines Mediums, vorzugsweise innerhalb eines Behälters, mit mindestens einem Schwingstab (1, 2, 18, 18'), der mit einer Erregungseinrichtung (5, 6) mittels von dieser abgegebenen kurzzeitigen Impulsen zu mechanischen Schwingungs impulsen anregbar ist, mit einem Sensor (11) zum Detektieren der vom Schwingstab (1, 2, 18, 18') ausgehenden Schwingungsimpulse und einer an den Sensor (11) angeschlossenen elektrischen Auswerteschaltung (9), die die Antwortsignale des Sensors (11) auszuwerten imstande ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale des Sensors (11) auf eine Zeitmeßeinrichtung (9) aufgegeben sind, die das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Antwortsignalen des Sensors (11) entprechend zwei aufeinanderfolgenden Schwingungsimpulsen des Schwingstabes (1, 2, 18, 18') zu messen und dieses Zeitintervall mit einem vorgegebenen Referenzzeitintervall zu vergleichen imstande ist, welches aus dem zeitlichen Abstand der gleichen Antwortsignale des Sensors (11) bei vorgegebener Bedämpfung des schwingenden Schwing stabes (1, 2, 18, 18') gewonnen ist, und daß aus der Differenz der beiden Zeitintervalle auf das Erreichen eines vorgegebenen Füllstandes oder auf das Spezifikum des Mediums geschlossen wird, wobei auf die Erregungseinrich tung (5, 6) nur ein einziger elektrischer Impuls aufgebbar ist zur Schwingungs anregung des Schwingstabes (1, 2, 18, 18') mittels einer einzigen erzwungenen Auslenkung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Referenzzeitintervall aus den Schwingungen des unbe dämpften Schwingstabes (1, 2, 18, 18') hergeleitet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung des Schwingstabes (1, 2, 18, 18') eine elektrome chanische Antriebseinrichtung (5, 6) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung aus einer elektrische Spule (5) besteht, die im Bereich des oberen Endes wenigstens eines Schwingstabes (1, 2) angeordnet ist, wobei durch den Schwingstab (1, 2) ein Stab (6, 6') aus ferromagnetischem Material geführt ist, der sich im Einflußbereich des magnetischen Feldes der Spule (5) befindet zur mechanischen Erregung der Schwingstäbe (1, 2) bei elektrischer Erregung der elektrischen Spule (5).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung aus einer elektrische Spule (5) besteht, die zwi schen zwei parallel zueinander verlaufenden Schwingstäben (1, 2) im Bereich von deren oberen Enden angeordnet ist, wobei durch jeden Schwingstab (1, 2) ein Stab (6, 6') aus ferromagnetischem Material geführt ist, der sich im Einflußbereich des magnetischen Feldes der Spule (5) befindet zur mechanischen Erregung der Schwingstäbe (1, 2) bei elektrischer Erregung der elektrischen Spule (5).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel zueinander verlaufenden Schwingstäbe (18, 18') außen am Boden (4) eines Gehäuses (3) angeordnet sind und innen im Gehäuse (3) zwischen den Schwingstäben (18, 18') ein Stab (19) befestigt ist, der an das Loch oder in das Loch einer im Gehäuse (3) angeordneten Spule (5) ragt zur mechanischen Erregung der Schwingstäbe (1, 2) bei elektrischer Erregung der elektrischen Spule (5).

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingstäbe (1, 2, 18, 18') nach dem Durchgang durch den Boden (4) des Gehäuses (3) innerhalb desselben als Röhren gestaltet sind.