DE4327167A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung die­ ses Verfahrens.

Aus der DE 30 44 354 C2 sowie der EP 0 343 403 A1 sind Vor­ richtungen bekannt, mit denen das Erreichen eines vorbestimm­ ten Füllstandes in einem Behältnis festgestellt werden kann. Diese auch als Grenzstandgeber, Grenzschalter oder Vibrations­ sensoren bezeichneten Vorrichtungen lösen bei bestimmten Füll­ höhen Schaltbefehle aus. Sie können als Maximum- oder Minimum- Schalter eingesetzt werden. Maximum-Schalter verhindern z. B. das Überfüllen von Behältern durch Abschalten der Förderein­ richtungen. Minimum-Schalter geben bei Absinken auf einen vorbestimmten Minimalstand Schaltbefehle aus. Sie werden oft als Trockenlaufschutz für Fördereinrichtungen eingesetzt.

Im allgemeinen weisen diese bekannten Vorrichtungen zwei in den Behälter ragende Schwingstäbe auf, die in einer vorbe­ stimmten Höhe des Behältnisses angeordnet werden. Die beiden Schwingstäbe können hierbei nebeneinander oder koaxial zuein­ ander angeordnet sein. Mittels eines ersten elektromechani­ schen Wandlers, nachfolgend als Erregungswandler bezeichnet, werden die beiden Schwingstäbe gemeinsam zu Eigenresonanz­ schwingungen angeregt, solange das Füllgut die vorbestimmte Höhe noch nicht erreicht hat. Die Amplitude der vom Erre­ gungswandler hervorgerufenen Schwingungen wird mit Hilfe eines zweiten elektromechanischen Wandlers, nachfolgend als Empfangswandler bezeichnet, abgetastet. Das Ausgangssignal des Empfangswandlers dient dazu, festzustellen, ob das Behältnis bis zur Höhe der darin angeordneten Schwingvorrichtung mit Schüttgut oder dergleichen gefüllt ist. Wenn die Schwingvor­ richtung zu Eigenresonanzschwingungen angeregt wird, bedeutet dies, daß das Schüttgut oder dergleichen noch nicht die vorbe­ stimmte Höhe im Behältnis erreicht hat. Kommt dagegen die Schwingvorrichtung mit dem Schüttgut oder dergleichen in Kon­ takt, so erfolgt bei gleichbleibender Erregung eine Dämpfung der Schwingstäbe (im Falle der koaxial zueinander angeordneten Schwingstäbe eine Dämpfung des äußeren Schwingstabes), die sich in einer Abnahme der Schwingungsamplitude bis hin zum Aussetzen der empfangenen Schwingungen äußert. In einer Aus­ werteeinrichtung wird dies erfaßt und zur Anzeige gebracht, daß der vorbestimmte Füllstand erreicht ist. Bei Minimum- Schaltern ist das Einsetzen der Schwingungen ein Maß dafür, daß die vorbestimmte Höhe im Behältnis vom Füllgut unter­ schritten wurde.

Diese bekannten Vorrichtungen zum Feststellen des Erreichens oder Unterschreitens eines vorbestimmten Füllstandes können falsche Anzeigen hinsichtlich des Füllstandes verursachen, wenn das Füllgut beispielsweise die vorbestimmte Höhe noch nicht erreicht hat und sich dennoch durch den Füllvorgang im Behältnis Ablagerungen auf dem Schwingstab oder den Schwing­ stäben gebildet haben.

Unerwünschte Ablagerungen auf dem Schwingstab, insbesondere bei staubartigen Füllgütern (Mehl, Zement oder dergleichen), werden daher den Schwingstab auch dann bedämpfen, wenn er nicht mehr in das Füllgut eintaucht. In diesem Fall wird dauernd das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes angezeigt. Bei koaxial aufgebauten Grenzstandgebern hat eine solche Abla­ gerung staubartiger Füllgüter auf dem äußeren Schwingstab zur Folge, daß sich die Masseverhältnisse zwischen Außen- und In­ nenstab des Resonators ändern und daher aufgrund dieser Ver­ stimmung die Güte des gesamten Schwingsystems abnimmt. In der Praxis ergibt sich deshalb das Problem, daß ein derart mit Füllgutablagerungen bedeckter Schwingstab nicht mehr an­ schwingt und somit trotz abgesunkenem Füllstand weiterhin ei­ nen bedeckten Zustand signalisiert.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, dieses Problem zu lösen. In der eingangs genannten DE 30 44 354 C2 wird der Schwingstab vom Erregungswandler intermittierend mit Pulsen erregt und die Abklingzeitdauer gemessen, in der die Amplitude des schwingenden Schwingstabes in der Pause zwischen zwei Erregungsimpulsen bis zu einem vorbestimmten Schwellenwert absinkt. Das Erreichen des Füllstandes wird ge­ meldet, sobald die gemessene Abklingzeitdauer unter eine vor­ gegebene Zeitdauer gesunken ist. Nachteilig an diesem Verfah­ ren ist, daß das Abschütteln von Füllgutablagerungen auf dem Schwingsystem durch einzelne Pulse nur unzureichend bewirkt wird.

Die EP 0 343 403 A1 schlägt zur Lösung dieses Problems eine Schaltungsanordnung zur Selbsterregung eines mechanischen Schwingsystems zu Eigenresonanzschwingungen vor, die ein elek­ tromechanisches Wandlersystem enthält, das im Rückkopplungs­ kreis einer elektronischen Verstärkerschaltung angeordnet ist, so daß es durch die Ausgangswechselspannung der Verstärker­ schaltung zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und zum Eingang der Verstärkerschaltung eine Wechselspannung mit der Frequenz der mechanischen Schwingungen liefert. Die Verstär­ kerschaltung weist dort eine nichtlineare Verstärkungskennli­ nie auf, die bei kleinen Werten des Eingangssignales eine grö­ ßere Verstärkung als bei größeren Werten des Eingangssignales ergibt. Damit wird erreicht, daß auch geringe Eingangsamplitu­ den zu einem verwertbaren Erregersignal verstärkt werden, um ein Anschwingen des Resonators zu ermöglichen, während größere Eingangssignale weniger verstärkt werden, um die Störbeein­ flußbarkeit des Schwingsystemes gegenüber mechanischen und elektrischen Fremdstöreinwirkungen nicht zu sehr zu erhöhen. Somit ist mit dieser Anordnung ein sicheres Anschwingen auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen gewährleistet, während andererseits die Gefahr von Fehleranzeigen des Schwingungszu­ standes, beispielsweise in Folge von Fremdvibrationen, verrin­ gert ist.

Problematisch bei diesem Verfahren ist jedoch, daß - ein ver­ tretbarer schaltungstechnischer Aufwand vorausgesetzt - die gewöhnlicherweise mittels Halbleiterdioden aufgebauten nicht­ linearen Verstärker sich in der Praxis in Bezug auf einen wei­ ten Temperatureinsatzbereich als zu instabil erwiesen haben und daher das Feststellen des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis verschlechtert wird, wenn als Füllgut leichtes bzw. sehr leichtes Füllgut eingesetzt wird. Darüber hinaus steht zum Anschwingen nicht die maximale Erre­ geramplitude zur Verfügung, da zu diesem Zweck die Verstärkung auf einen Wert anzuheben wäre, der das elektromechanische Wandlersystem gegenüber äußeren Störungen zu empfindlich ge­ stalten würde.

Wenn man aber statt der nichtlinearen Verstärkungskennlinie zur Vermeidung füllgutansatzbedingter Fehlfunktionen eine lineare Verstärkerkennlinie einsetzen würde, d. h. eine erhöhte Verstärkung nicht nur bei kleinen Empfangsamplituden, sondern generell auch bei maximalen Schwingamplituden des mechanischen Wandlersystems, so wäre der Grenzstandgeber zwangsläufig detektionsunempfindlicher. Denn zur Schwingungsdämpfung wären dann erhöhte Dämpfungskräfte aufzubringen, was gleichbedeutend damit ist, daß leichte massearme Füllgüter, wie z. B. Styropor, Schaumstoffe oder dergleichen, keine ausreichende Dämpfung mehr erzielen könnten und damit also nicht mehr detektierbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens anzugeben, bei dem die Fremdstörbeeinflussung gering ist und gleichzeitig über einen weiten Temperaturbereich eine gute Detektionsempfindlichkeit gewährleistet bleibt. Darüber hinaus soll dies mit einem möglichst geringen schaltungstech­ nischen Aufwand erreicht werden, der es gestattet, das Verfah­ ren in jedem Schüttgut-Vibrationssensor einzusetzen.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des An­ spruchs 8 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, daß bei einer bisher bekannten Schwingvorrichtung zum Feststellen des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis ein zusätzlich ein Generator zum Erzeugen von Zusatzimpulsen vorgesehen ist, die der Erregervorrichtung zugeführt werden, um evtl. auf der Schwingvorrichtung vorhandene Ablagerungen abschütteln zu können. Diese Zusatzimpulse weisen vorzugsweise eine deutlich niedere Frequenz auf als ein Ausgangswechsel­ signal der Schwingvorrichtung bei Selbsterregung. Darüber hin­ aus weisen diese Zusatzimpulse eine so hohe Amplitude auf, daß ein Abschütteln von evtl. vorhandenen Ablagerungen bzw. Ansät­ zen auf der Schwingvorrichtung sicher möglich ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Vorteil erreicht, daß die elektrische Erregerleistung für den Erregungswandler geringer ausgelegt werden kann als bei Vorrichtungen ohne die Fremderregungseigenschaften durch Zusatzimpulse. Damit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Anwendung in explosionsgefährdeter Umgebung.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Zusatzimpulse nur dann hinzugefügt, solange die Schwingvor­ richtung nicht zu Eigenresonanzschwingungen erregt ist, d. h. das elektromechanische Wandlersystem nicht selbsterregt ist. Durch diese Maßnahme wird ein asynchrones Einwirken auf die Eigenresonanzschwingung der Schwingvorrichtung weitgehend ver­ mieden. Da die Detektion der Eigenresonanzschwingung bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ohnehin zur Bestimmung des bi­ nären Füllstandausgangssignales des Grenzstandgebers erfolgt, bietet sich das so gewonnene Signal gleichzeitig zur Steuerung des Generators zum Erzeugen der Zusatzimpulse an.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Zusatzim­ pulse aus einem Signalgenerator gewonnen werden, der ein Rechtecksignal mit im Vergleich zum Schwingungsdetektions­ sinussignal am Ausgang des die Ausgangswechselspannung der Schwingvorrichtung verstärkenden Verstärkereinrichtung höhe­ rer, mindestens aber gleich hoher Amplitude und einer im Ver­ gleich zur Resonanzfrequenz der Schwingvorrichtung deutlich niedrigeren Frequenz aufweist. Das Summensignal aus verstärk­ ter Ausgangswechselspannung des Empfangswandlers und Recht­ ecksignal wird anschließend bandpaßgefiltert und vorzugsweise spitzenwertbegrenzt. Das bandpaßgefilterte und vorzugsweise spitzenwertbegrenzte Summensignal wird über eine beispielswei­ se einstellbare Verstärkereinrichtung als Erregersignal dem Erregungswandler zugeführt. Die Frequenz des Rechtecksignals ist vorzugsweise konstant und beträgt etwa 1% der Resonanz­ frequenz des mechanischen Wandlersystems. Die Frequenz kann jedoch, falls notwendig, auch in geeigneter Weise variabel sein. Die Amplitude des Rechtecksignales entspricht vorzugs­ weise der maximalen Amplitude des Ausgangswechselsignales des das Ausgangswechselsignal des Empfangswandlers verstärkenden Verstärkers bei ungedämpft schwingendem elektromechanischen Schwingsystem, d. h. also, solange das Füllgut den vorgegebenen Füllstand noch nicht erreicht hat und keine Ablagerungen an einem der Schwingstäbe anliegen.

Es ist hier anzumerken, daß die Erzeugung der Zusatzimpulse auch auf andere Weise als mit einem Rechteckgenerator und nachfolgender Bandpaßfilterung erfolgen kann. Die Zusatzim­ pulse können beispielsweise auch aus einem geeigneten Impuls­ generator, vorzugsweise einem Nadelimpulsgenerator, gewonnen werden.

Durch das Vorhandensein des das Summensignal verändernden Spitzenwertbegrenzers und der einstellbaren Verstärkereinrich­ tung läßt sich sowohl die Schleifenverstärkung des elektri­ schen Rückkopplungskreises als auch die absolute Erregeram­ plitude einstellen. Da hierbei auch die vom Signalgenerator erzeugte Signalkomponente aus dem Rechtecksignal simultan mit­ verändert wird, ergibt sich im geschlossenem Rückkopplungs­ kreis die gewünschte weite Veränderbarkeit der Füllgutdetek­ tionssensitivität. Bei minimaler Abschwächungseinstellung tre­ ten die durch die Bandpaßeinrichtung aus dem Rechtecksignal erzeugten Nadelimpulse im Summensignal mit voller Amplitude auf und führen aufgrund der hohen Schleifenverstärkung zu einem über mehrere Perioden sich erstreckenden Nachschwingvor­ gang, welcher die Wirksamkeit Anhaftungen abzuschütteln stark erhöht. Durch die auf diese Weise periodisch überlagerte Fremderregung des Empfangswandlers ist es möglich, Füllgutab­ lagerungen selbst dann abzuschütteln, wenn deren Masse so hoch ist, daß sie eine Eigenerregung des Schwingsystems nicht mehr ermöglichen.

Bei maximaler Abschwächungseinstellung dagegen ist das der Er­ regervorrichtung zugeführte Erregersignal mit den darin be­ findlichen Nadelimpulsen nur von geringer Amplitude. Aufgrund der gleichfalls reduzierten Schleifenverstärkung erfolgt kein Nachschwingen als Folge eines Nadelimpulses. Dem mechanischen Wandlersystem ist es damit möglich, selbst leichteste Füllgü­ ter (wie z. B. Styropor, Schaumstoffe etc.) sicher zu detek­ tieren, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Schwingstab trotz Bedeckung durchschwingt.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen den Generator zum Erzeugen der Zusatzsignale und der Summiereinrichtung eine Schalteinrichtung angeordnet, die entweder manuell oder über eine Steuereinrichtung einschaltbar ist. Diese Maßnahme erlaubt es, die Zusatzimpulse nur so lange zu erzeugen, wie es für ein Abschütteln von Ablagerungen am Schwingstab notwendig ist, d. h. beispielsweise bis zu einem erfolgten Anschwingen der Schwingvorrichtung. Damit wird ein asynchrones Einwirken auf die Resonanzschwingung vermieden.

Da die Detektion des Resonanzschwingens des mechanischen Wand­ lersystemes ohnehin zur Bestimmung herangezogen wird, ob der vorgegebenen Füllstand bereits erreicht ist oder nicht, bietet sich das dabei gewonnene Signal gleichzeitig zur Steuerung dieser Schalteinrichtung an.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum Feststellen des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis,

Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 Signalverläufe in der Schaltung nach den Fig. 1 und 2 bei bedecktem Schwingstab und minimaler Abschwächungsein­ stellung der einstellbaren Verstärkereinrichtung in Fig. 1 bzw. Fig. 2 und

Fig. 4 Signalverläufe in der Schaltung nach den Fig. 1 und 2 bei bedecktem Schwingstab und maximaler Abschwächungsein­ stellung der einstellbaren Verstärkereinrichtung in Fig. 1 bzw. Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer mechanischen Schwing­ vorrichtung 1, das zu Schwingungen mit der Eigenresonanzfre­ quenz angeregt werden kann. Dieses mechanische Schwingsystem weist in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zwei Schwingele­ mente, ein inneres Schwingelement 2 und ein äußeres Schwing­ element 10, auf, die in einem Füllstandsensor koaxial zueinander angeordnet sind. Beide Schwingelemente 2, 10 sind gemeinsam mit zwei jeweils Anschlüssen aufweisenden elektro­ mechanischen Wandlern 3, 9 in Verbindung. Der erste elektrome­ chanische Wandler 3 ist hier der Empfangswandler, während der zweite elektromechanische Wandler 9 der Sendewandler ist.

Die beiden Schwingelemente 2, 10 und die zugeordneten elektro­ mechanischen Wandler 3, 9 bilden in der Praxis als Füllstand­ sensor eine bauliche Einheit und werden zum Feststellen des Erreichens oder Unterschreitens eines vorbestimmten Füllstan­ des in ein Behältnis in Höhe des zu bestimmenden Füllstandes angeordnet. Dem elektromechanischen Erregungswandler 9 wird dabei ein elektrisches Wechselspannungssignal zugeführt, das die Schwingelemente 2, 10 gemeinsam in gegensinnige mechani­ sche Schwingungen versetzt. Das dem Füllgut zugängliche äußere Schwingelement 10 dient als Sensorelement der mechanischen Schwingvorrichtung 1. Das innere Schwingelement 2 schwingt ge­ gensinnig zum äußeren Schwingelement 10, um eine Schwingmo­ mentkompensation zu bewirken und damit den die Schwinggüte be­ einflussenden Schwingenergieabfluß zu verhindern. Die mechani­ schen Schwingungen der Schwingvorrichtung 1 werden im elektro­ mechanischen Empfangswandler 3 in ein elektrisches Wechsel­ spannungssignal umgeformt.

Sobald der Füllstandsensor in das Füllgut eingetaucht ist, werden die Schwingungen so stark gedämpft, daß sie aussetzen, wodurch festgestellt wird, daß das Füllgut den vorbestimmten Füllstand erreicht hat.

Im Blockschaltbild von Fig. 1 ist die Schwingvorrichtung 1 ausgangsseitig, d. h. also der Anschluß des elektromechanischen Wandlers 3, über eine Verstärkereinrichtung 4 mit einer ersten Eingangsklemme einer Summiereinrichtung 5 verbunden. Eine zweite Eingangsklemme dieser Summiereinrichtung 5 ist mit ei­ nem Signalgenerator 11 - vorzugsweise über eine Schalteinrich­ tung 21 - in Verbindung. Eine Ausgangsklemme der Summierein­ richtung 5 ist an eine Filtereinrichtung 6 angeschlossen, die ausgangsseitig über eine veränderbare Verstärkereinrichtung 7 mit dem Anschluß des elektromechanischen Wandlers 9 und damit mit dem Eingang der Erregervorrichtung der Schwingvorrichtung 1 in Verbindung steht.

Für den Fall, daß die Schalteinrichtung 21 ausgeschaltet ist und damit Impulse des Signalgenerators 11 nicht an die Summie­ reinrichtung 5 gelangen können, funktioniert die in Fig. 1 gezeigte Schaltung in an sich bekannter Weise als Schal­ tungsanordnung zur Selbsterregung des mechanischen Schwing­ systems zu Eigenresonanzschwingungen.

Um zu gewährleisten, daß trotz Ablagerungen auf dem äußeren Schwingelement 10 ein sicheres Anschwingen der Schaltungsan­ ordnung möglich ist, werden der Summiereinrichtung 5 und damit dem durch die Verstärkereinrichtung 4 erzeugten Ausgangssignal Zusatzimpulse in der Summiereinrichtung 5 hinzugefügt, die ge­ eignet sind, Ablagerungen auf dem äußeren Schwingelement 10 abzuschütteln. Es ist bereits anhand der Fig. 1 ersichtlich, daß selbst dann, wenn die Verstärkereinrichtung 4 kein Aus­ gangssignal erzeugt, bei eingeschalteter Schalteinrichtung 21 die vom Signalgenerator 11 erzeugten Impulse über die Filter­ einrichtung 6 und die einstellbare Verstärkereinrichtung 7 an den elektromechanischen Erregungswandler 9 gelangen können, um den Schwingstab 10 in Schwingungen zu versetzen. Damit kann das äußere Schwingelement 10 erregt werden, ohne daß am Aus­ gang des elektromechanischen Wandlers 3 der Schwingvorrichtung 1 ein Ausgangswechselsignal anliegt, d. h. keine Selbsterregung stattfindet.

In der Fig. 1 sind Bezugszeichen a, b, c, e und f eingezeich­ net, die jeweils die auf den entsprechenden Leitungen angege­ benen Signale kennzeichnen. Auf diese Signale wird im Zusam­ menhang mit der Erläuterung der Fig. 3 und 4 noch aus führ­ lich eingegangen.

Es ist anzumerken, daß die elektromechanischen Wandler 3, 9 von beliebiger, an sich bekannter Art sein können. Die elek­ tromechanischen Wandler 3, 9 können beispielsweise magneto­ striktive oder elektrodynamische Wandler mit Spulen, pie­ zoelektrische Wandler oder dergleichen sein.

In Fig. 2 ist ein zu Fig. 1 detaillierteres Schaltbild darge­ stellt. Gleiche Bezugszeichen stehen wieder für die bereits bekannten Teile. Das am Ausgang des elektromechanischen Wand­ lers 3, also des Empfangswandlers (hier als piezoelektrischer Wandler dargestellt) anstehende Ausgangswechselsignal wird über die Verstärkereinrichtung 4 der ersten Eingangsklemme der Summiereinrichtung 5 zugeführt. Die Verstärkereinrichtung 4 dient zur Aufbereitung des Ausgangswechselsignales der Schwingvorrichtung 1 und kann neben der Verstärkung dieses Signals auch weitere in der Fig. 2 nicht dargestellte Komponen­ ten enthalten, um das Ausgangswechselsignal der Schwingvor­ richtung 1 beispielsweise in geeigneter Weise zu filtern. Das verstärkte und gegebenenfalls gefilterte Ausgangswechselsignal der Verstärkereinrichtung 4 ist in Fig. 2 mit a bezeichnet und wird in der Summiereinrichtung 5 zu Impulsen b des Signalgene­ rators 11 summiert. Der Signalgenerator 11 erzeugt vorzugs­ weise ein Rechtecksignal, dessen Frequenz beispielsweise 1% der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems beträgt. Diese Frequenz ist vorzugsweise konstant, kann bei Bedarf aber auch in geeigneter Weise variabel sein. Das vom Signalgenera­ tor 11 erzeugte Rechtecksignal weist erfindungsgemäß eine in Vergleich zur Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems deutlich niedrigere Frequenz auf. Vorzugsweise ist die Amplitude des Rechtecksignales b mindestens so groß wie die maximale Ausgangsamplitude des Ausgangswechselsignales a der Verstärkereinrichtung 4 bei ungedämpft schwingendem mechani­ schem Schwingsystem.

Das Summensignal c am Ausgang der Summiereinrichtung 5 von Rechtecksignal b und Ausgangswechselspannung a der Verstärker­ einrichtung 4 wird der Filtereinrichtung 6 zugeführt. Diese Filtereinrichtung 6 besteht beispielsweise aus einem Bandpaß­ filter 12, dessen Durchlaßbereich auf die Grundwelle der Reso­ nanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems abgestimmt ist. Dadurch wird erreicht, daß die deutlich niederfrequentere Rechteckkomponente des Summensignales c auf diese Weise stark differenziert wird und am Ausgang des Bandpaßfilters 12 als abwechselnd positive und negative Nadelimpulse ansteht, die dem evtl. vorhandenen Signal a, d. h. dem Schwingungsdetek­ tionssignal, überlagert sind. Das Signal am Ausgang des Bandpaßfilters 12 ist mit d bezeichnet und wird in der Dar­ stellung von Fig. 2 einem Spitzenwertbegrenzer 13 zugeführt und dort in der Amplitude begrenzt. Das am Ausgang des Spit­ zenwertbegrenzers 13 anstehende Signal e wird schließlich über die ausgangsseitige Verstärkereinrichtung 7 dem Erregungswandler 9 zugeführt. Die Verstärkereinrichtung 7 weist einen einstellbaren Abschwächer 14 auf, der das Eingangssignal e in gewünschter und vorzugsweise einstellbarer Weise abschwächt. Dieser Abschwächer 14 steuert dann eine Endverstärkereinrichtung 15 an, welche das Erregersignal für den elektromechanischen Erregungswandler 9, beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler, liefert.

Der einstellbare Abschwächer 14 dient in Verbindung mit dem Spitzenwertbegrenzer 13 dazu, sowohl die Schleifenverstärkung des elektrischen Rückkopplungskreises des mechanischen Schwingsystems (d. h. die Komponenten 4, 5, 6 und 7) als auch die absolute Erregeramplitude einzustellen. Da die vom Signalgenerator 11 erzeugte Signalkomponente simultan mitver­ ändert wird, ergibt sich im geschlossenen Schwingkreis aus mechanischem Schwingsystem und Rückkopplungskreis eine vor­ teilhafte weite Veränderbarkeit der Füllgutdetektionssensiti­ vität. Bei minimaler Abschwächungseinstellung im Abschwächer 14 treten die aus dem Signalgenerator 11 gewonnenen Nadel­ impulse im Erregersignal mit voller Amplitude auf und führen aufgrund der hohen Schleifenverstärkung des Rückkopplungskrei­ ses zu einem über mehrere Perioden sich erstreckenden Nach­ schwingvorgang, welcher die Wirksamkeit Anhaftungen ab zu­ schütteln stark erhöht. Durch die auf diese Weise periodisch über lagerte Fremderregung des Schwingstabes ist es möglich, auf diesem befindliche Ablagerungen bzw. Ansätze selbst dann abzuschütteln, wenn deren Masse so hoch ist, daß sie eine Selbsterregung des Schwingsystems nicht mehr ermöglichen.

Bei maximaler Abschwächungseinstellung des Abschwächers 14 hingegen ist das Erregersignal mit den Nadelimpulsen nur von geringer Amplitude. Aufgrund der gleichfalls reduzierten Schleifenverstärkung erfolgt dann kein Nachschwingen als Folge eines solchen Impulses. Der Schwingvorrichtung 1 ist es damit möglich, selbst leichteste Füllgüter sicher zu detektieren, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Schwingstab trotz Bedec­ kung durchschwingt.

Da zur Erzeugung der aus dem Rechtecksignal b des Signalgene­ rators 11 gewonnenen Nadelimpulse die Filtereinrichtung 6 bzw. das Bandpaßfilter 12 dient, das auf die Grundwelle des mecha­ nischen Schwingsystemes abgestimmt ist, wird diese von den Nadelimpulsen auch bevorzugt erregt, wodurch sich zum einen ein guter Anregungswirkungsgrad ergibt sowie die Erregung un­ erwünschter Oberwellen vermieden wird.

In Fig. 3 sind die Signalverläufe des Ausgangswechselsignales a der Verstärkereinrichtung 4, das Rechtecksignal b des Signal­ generators 11, das Summensignal c am Ausgang der Summierein­ richtung 5 und das Ausgangssignal f am Ausgang der einstell­ baren Verstärkereinrichtung 7 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Frequenz der Rechteckimpulse b wesentlich niedriger als die Frequenz des Ausgangssignals a der Verstär­ kereinrichtung 4 für den Fall der ungedämpften Schwingung des mechanischen Schwingsystemes ist. Bei minimaler Abschwächungs­ einstellung der einstellbaren Verstärkereinrichtung 7 treten die durch die Bandpaßeinrichtung 5 aus dem Rechtecksignal er­ zeugten Nadelimpulse im Summensignal mit voller Amplitude auf und führen aufgrund der hohen Schleifenverstärkung zu einem über mehrere Perioden sich erstreckenden Nachschwingvorgang, der anhand des Signalverlaufes des nachschwingenden Ausgangs­ wechselsignales a zu sehen ist. Durch die auf diese Weise periodisch überlagerte Fremderregung des Empfangswandlers ist es möglich, Füllgutablagerungen selbst dann abzuschütteln, wenn deren Masse so hoch ist, daß sie eine Eigenerregung des Schwingsystems nicht mehr ermöglichen. Die aus dem Rechteck­ signal b in der Filtereinrichtung 6 erzeugten positiven und negativen Nadelimpulse sind mit dem Bezugszeichen 25 versehen. Durch den Spitzenwertbegrenzer 13 können diese Nadelimpulse 25 in der Amplitude begrenzt werden, was durch die Kappung der Sinuskurvenform angedeutet ist.

Fig. 4 ist ähnlich der Darstellung von Fig. 3, allerdings sind in Fig. 3 die Signalverläufe bei bedecktem Schwingelement und maximaler Abschwächungseinstellung der einstellbaren Verstär­ kereinrichtung 7 gezeigt. Der Hauptunterschied zum Signalver­ lauf in Fig. 3 besteht jetzt darin, daß es aufgrund der minima­ len Abschwächungseinstellung nicht zu dem oben erwähnten Nach­ schwingvorgang kommt. Das dem Erregungswandler zugeführte Erregersignal mit den darin befindlichen Nadelimpulsen ist nur von geringer Amplitude. Aufgrund der gleichfalls reduzierten Schleifenverstärkung erfolgt somit kein Nachschwingen als Folge eines Nadelimpulses. Dem mechanischen Wandlersystem ist es damit möglich, selbst leichteste Füllgüter (wie z. B. Sty­ ropor, Schaumstoffe etc.) sicher zu detektieren, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Schwingstab trotz Bedeckung durch­ schwingt.

Im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 ist noch anzumerken, daß aus Darstellungsgründen das Verhältnis der Selbsterregerfre­ quenz zu jener der Zusatzimpulse 25 stark reduziert gezeigt ist. Realiter liegt es bei etwa 300 : 1.

In den Darstellungen der Fig. 3 und 4 ist angenommen, daß das Rechtecksignal b und damit die Nadelimpulse auch dann der Summiereinrichtung 5 zugeführt werden, wenn das mechanische Schwingsystem durch Selbsterregung schwingt. In einer Weiter­ bildung der Erfindung ist es jedoch vorgesehen, die Zusatzim­ pulse nur bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu erzeugen. So werden die Zusatzimpulse beispielsweise zum Feststellen des Erreichens eines vorgegebenen Füllstandes nur so lange er­ zeugt, bis das mechanische Schwingsystem durch Selbsterregung zu schwingen beginnt. Dies hat den Vorteil, daß ein asynchro­ nes Einwirken auf die Resonanzschwingung vermieden wird.

Hierzu sind die der Summiereinrichtung 5 zugeführten Rechteck­ impulse b über eine Schalteinrichtung 21 an- bzw. abschaltbar, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Da die Detektion des Schwingzustandes durch Selbsterregung der Schaltungsanordnung in Fig. 2 ohnehin zur Bestimmung des Füllstandes erfolgt, wird das dabei gewonnene Signal gleichzeitig zur Steuerung der Schalteinrichtung 21 bzw. zum Ein- und Ausschalten des Signal­ generators 11 verwendet.

Zu diesem Zweck wird (vgl. wieder Fig. 2) das Ausgangssignal e der Filtereinrichtung 6 einem Meßgleichrichter 16 zugeführt, der dieses Ausgangssignal in eine amplitudenproportionale Gleichspannung umwandelt. Diese Gleichspannung wird einem Schwellwertschalter 17 zugeführt und, sobald eine bestimmte Gleichspannungsamplitude überschritten wird, d. h. eine be­ stimmte Schwingamplitude erreicht ist, schaltet das Ausgangs­ signal des Schwellwertschalters 17 von logisch "0" auf logisch "1". Dieses Signal kann dann zum Ausschalten der Schalt­ einrichtung 21 bzw. des Signalgenerators 11 verwendet werden.

Um ein sichereres Schalten zu gewährleisten, ist die gerade beschriebene Auswerteschaltung 22 jedoch in folgender Weise erweitert. Die amplitudenproportionale Gleichspannung am Aus­ gang des Meßgleichrichters 16 wird einer ersten Eingangsklemme einer Additionseinrichtung 23 zugeführt. Eine Ausgangsklemme dieser Additionseinrichtung 23 wird über den Schwellwertschal­ ter 17 einer Integriereinrichtung 18 und einem eine Hysterese aufweisenden Schwellwertschalter 19 zugeführt. Damit wird das am Ausgang des Schwellwertschalters 17 anstehende Signal, z. B. in einem Zeitverzögerungsglied, auf integriert und einem zwei­ ten Komparator in Form des Schwellwertschalters 19 zugeführt, welcher in seinem Schaltverhalten eine Hysterese aufweist. Der Schaltzustand dieses Schwellwertschalters 19 mit Hysterese stellt den Ausgangswert des Füllstandsensors dar und wird mit­ tels einer Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einer von einem Relais 20 geschalteten optischen Anzeige, ausgegeben. Zur Ver­ meidung von Flattervorgängen der Auswerteeinrichtung 22 wird deren Wert nach Art einer Mitkopplung einem zweiten Eingang der Additionsstufe 23 zugeführt und zur Erzeugung einer Schalthysterese aufaddiert. Eine solche Anordnung zeigt ein zeitverzögertes Schalten, was insbesondere bei unruhigen Füll­ gütern, z. B. während des Befüll- und Entleervorganges des Füllgutbehälters, günstig ist.

Die Steuerung des Signalgenerators 11 erfolgt ebenfalls anhand des Ausgangssignals des Schwellwertschalters 19. Ist dieses Ausgangssignal logisch "1", so schaltet dies die Schaltein­ richtung 21 bzw. den Signalgenerator 11 ab.

Die Verknüpfung der Komponenten 17, 18, 19 und 23 dient neben der Ausfilterung diverser externer Störeinwirkungen unter an­ derem auch dazu, daß die im auszuwertenden Signal enthaltenen Nadelimpulse für die Bestimmung des Füllstandswertes ohne Aus­ wirkung bleiben.

Durch die mehrfache Nutzung bereits standardmäßig vorhandener signalverarbeitender Komponenten ergibt sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Feststellen des Errei­ chens oder Unterschreitens eines vorgegebenen Füllstandes mit einem Füllstandsensor ein äußerst geringer zusätzlicher Schal­ tungsaufwand.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht beispielsweise mit koaxial aufgebauten Schwingstäben je nach eingestellter Empfindlichkeit, Füllgüter in einem Schüttdichtebereich von 1 : 1000 sicher zu detektieren.

Bezugszeichenliste

1 Schwingvorrichtung
2 inneres Schwingelement
3 Empfangswandler
4 Verstärkereinrichtung
5 Summiereinrichtung
6 Filtereinrichtung
7 Verstärkereinrichtung
9 Erregungswandler
10 äußeres Schwingelement
11 Signalgenerator
12 Bandpaßfilter
13 Spitzenwertbegrenzer
14 Abschwächer
15 Endverstärker
16 Meßgleichrichter
17 Schwellwertschalter
18 Integriereinrichtung
19 Schwellwertschalter mit Hysterese
20 Relais
21 Schalteinrichtung
22 Auswerteeinrichtung
23 Additionsstufe
25 Nadelimpulse, Zusatzimpulse
a Ausgangssignal des Verstärkers 4
b Rechteckimpulse
c Ausgangssignal der Summiereinrichtung 5
d Ausgangssignal des Bandpaßfilters 12
e Erregersignal
f Ausgangssignal des Endverstärkers 15

Claims (17)

1. Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis mit einem einen Erregungswandler (9), einen Empfangswandler (3) und Schwingelemente (2, 10) aufweisenden selbsterregbaren elektromechanischen Wandlersystem, bei dem ein Ausgangswechselsignal des Empfangswandlers (9) verstärkt als Eingangswechselsignal dem Erregungswandler (3) zugeführt wird und bei Abweichung von einer vorgegebenen Amplitude des Ausgangswechselsignales eine Meldung für das Erreichen oder Unterschreiten des Füllstandes erzeugt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem verstärkten Ausgangssignal (a) des Empfangs­ wandlers (3) zum Abschütteln von Ablagerungen an mindestens einem der Schwingelemente (2, 10) Zusatzimpulse (25) zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzimpulse (25) eine niedrigere Frequenz als das Ausgangs­ wechselsignal der Schwingvorrichtung (1) bei Selbsterregung aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzimpulse (25) eine Amplitude aufweisen, die min­ destens so groß ist, wie das verstärkte Ausgangswechselsignal (a) der Schwingvorrichtung (1) bei Selbsterregung.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzimpulse (25) nur dann zugeführt wer­ den, solange die Schwingvorrichtung (1) nicht dauerhaft zu Eigenresonanzschwingungen erregt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzimpulse (25) aus einem Rechtecksignal (b) abgeleitet, dem verstärkten Ausgangswechselsignal (a) hin­ zugefügt und anschließend als Summensignal (c) bandpaßgefil­ tert dem Erregungswandler (9) zugeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das bandpaßgefilterte Summensignal (c) spitzen­ wertbegrenzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Erregungswandler (9) zugeführte Summensignal (c) einstellbar verstärkt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ein Be­ hältnis einsetzbare und zwei Schwingelemente (2, 10), einen ausgangsseitigen Empfangswandler (3) und einen eingangsseiti­ gen Erregungswandler (9) aufweisende Schwingvorrichtung (1) vorgesehen ist, welche ausgangsseitig über eine Verstärkerein­ richtung (4) mit einer ersten Eingangsklemme einer Summier­ einrichtung (5) verbunden ist, daß eine zweite Eingangsklemme der Summiereinrichtung (5) mit einem Signalgenerator (11) zum Erzeugen von Zusatzimpulsen (25) verbunden ist und daß eine Ausgangsklemme der Summiereinrichtung (5) über eine Filter­ einrichtung (6) und nachfolgende Verstärkeranordnung (7) mit dem Erregungswandler (9) in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nachfolgende Verstärkeranordnung (7) einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenz des Signalgenerators (11) einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen die zweite Eingangsklemme der Sum­ miervorrichtung (5) und den Signalgenerator (11) eine Schalt­ einrichtung (21) geschaltet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (22) zum Erfassen einer Eigenresonanzschwin­ gung der Schwingvorrichtung (1) vorgesehen ist, und daß zur Steuerung der Schalteinrichtung (21) die Einrichtung (22) mit der Schalteinrichtung (21) in Verbindung steht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zum Erfassen einer Ei­ genresonanzschwingung der Schwingeinrichtung (1) eine Gleich­ richteranordnung (16) aufweist, die eingangsseitig an einen Ausgang der Filtereinrichtung (6) und ausgangsseitig über eine Schwellwertschalteinrichtung (17) an die Schalteinrichtung (21) geschaltet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Schalteinrichtung (21) und die Schwellwertschal­ teinrichtung (17) ein Integrierglied (18) mit nachgeschaltetem Schwellwertschalter (19) mit Hysterese geschaltet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Gleichrichteranordnung (16) und die Schwellwert­ schalteinrichtung (17) eine Additionseinrichtung (23) geschal­ tet ist, die ausgangsseitig mit der Schwellwertschalteinrich­ tung (17) und eingangsseitig mit einem Ausgang der Gleichrich­ teranordnung (16) und einem Ausgang des Schwellwertschalters (19) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schwingvorrichtung (1) als Empfangswandler (3) und Erregungswandler (9) jeweils einen elektrodynamischen Wandler, einen magnetostriktiven Wandler, einen piezoelektrischen Wandler oder dergleichen aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (E) einen Spitzenwert­ begrenzer (13) aufweisen.