DE4327167C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes in einem BehältnisInfo
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- DE4327167C2 DE4327167C2 DE19934327167 DE4327167A DE4327167C2 DE 4327167 C2 DE4327167 C2 DE 4327167C2 DE 19934327167 DE19934327167 DE 19934327167 DE 4327167 A DE4327167 A DE 4327167A DE 4327167 C2 DE4327167 C2 DE 4327167C2
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- G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
- G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Feststellen eines
vorbestimmten Füllstandes in einem Behältnis.
Aus der DE 30 44 354 C2, DE 39 31 453 C1 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.
In DD 2 77 329 A1 ist ebenfalls eine Lösungsmöglichkeit be
schrieben, mit der an Schwingstäben anhaftende Ablagerungen
abschüttelbar sein sollen. Die dort beschriebene Füllstand-
Meßvorrichtung weist hierfür einen an eine Piezomembran an
geschlossenen Oszillator, der mit einem Schwellwertschalter
in Verbindung steht, auf. Der Schwellwertschalter ist aus
gangsseitig einerseits an einen Impulsverstärker und anderer
seits an einem Verstärker angeschlossen. Der Impulsverstärker
ist ausgangsseitig sowohl mit dem Schwellwertschalter als
auch mit dem Oszillator in Verbindung. Sobald während eines
Entleerungsvorganges des Behälters aufgrund der geringer
werdenden Dämpfung der Piezomembran der Oszillator anfängt zu
schwingen, erzeugt der Schwellwertschalter an seinem Ausgang
ein Signal, das an den Impulsverstärker weitergegeben wird.
Der Impulsverstärker erzeugt einen erhöhten Spannungsimpuls,
der der Speisespannung des Oszillators überlagert wird. Durch
diesen Spannungsimpuls wird die Speisespannung des Oszillators
schlagartig erhöht, wodurch der Oszillator seine Aus
gangsleistung und damit die Piezomembran ihre Schwingungs
amplitude steigert, was zum Abschütteln von Ablagerungen der
Piezomembran führen soll. Problematisch bei dieser Lösung ist
jedoch, daß der Oszillator erst anschwingen muß, damit die
Speisespannung des Oszillators erhöht wird. Schwingt das
Wandlersystem aufgrund von Ablagerungen an den Schwingstäben
überhaupt nicht an, kommt es nicht zu der erwünschten Speise
spannungserhöhung am Oszillator.
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
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 diese 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 Vorrich
tung zum Feststellen des Erreichens eines vorbestimmten
Füllstandes in einem Behältnis,
Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild einer
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, die 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 beeinflussenden
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 ausführ
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 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 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 abzu
schütteln stark erhöht. Durch die auf diese Weise periodisch
überlagerte 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 Bedeckung
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 Signa
lgenerators 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 Signalverlaufe 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, aufintegriert 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.
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 (3) verstärkt als
Eingangswechselsignal dem Erregungswandler (9) zugeführt wird
und bei Abweichung von einer vorgegebenen Amplitude des Aus
gangswechselsignales eine Meldung für das Erreichen oder Unter
schreiten des Füllstandes erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß dem verstärkten Ausgangssignal (a) des Empfangswandlers (3)
zum Abschütteln von Ablagerungen an mindestens einem der
Schwingelemente (2, 10) mindestens bei einem Nichtanschwingen
des elektromechanischen Wandlersystemes Zusatzimpulse (25) zur
überlagerten Fremderregung des elektromechanischen Wandlersyste
mes 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 mindestens
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 werden,
solange die Schwingvorrichtung (1) nicht dauerhaft zu Eigenreso
nanzschwingungen erregt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zusatzimpulse (25) aus einem Rechtecksignal
(b) abgeleitet, dem verstärkten Ausgangswechselsignal (a) hin
zugeführt und anschließend als Summensignal (c) bandpaßgefiltert
dem Erregungswandler (9) zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
bandpaßgefilterte Summensignal (c) spitzenwertbegrenzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das dem Erregungswandler (9) zugeführte Summensignal (c) ein
stellbar verstärkt wird.
8. Vorrichtung zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes
in einem Behältnis mit den Merkmalen, daß ein selbsterregbares
elektromechanisches Wandlersystem vorgesehen ist mit einer
Schwingvorrichtung (1), die zwei in ein Behältnis einsetzbare
Schwingelemente (2, 10), einen ausgangsseitigen Empfangswandler
(3) und einen eingangsseitigen Erregungswandler (9) aufweist und
ausgangsseitig über eine Verstärkereinrichtung (4) mit einer
ersten Eingangsklemme einer Summiereinrichtung (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 Summierein
richtung (5) über eine Filtereinrichtung (6) und nachfolgende
Verstärkeranordnung (7) mit dem Erregungswandler (9) in Verbin
dung steht, wobei Mittel (21) vorgesehen sind, die die vom Si
gnalgenerator (11) erzeugbaren Zusatzimpulse (25) mindestens bei
einem Nichtanschwingen der Schwingvorrichtung (1) der zweiten
Eingangsklemme der Summiereinrichtung (5) zuführen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
nachfolgende Verstärkeranordnung (7) einen einstellbaren Ver
stärkungsfaktor aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
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 Schaltein
richtung (21) geschaltet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einrichtung (22) zum Erfassen einer Eigenresonanzschwingung
der Schwingvorrichtung (1) vorgesehen ist und daß zur Steuerung
der Schalteinrichtung (21) die Einrichtung (22) mit der Schalt
einrichtung (21) in Verbindung steht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Einrichtung (22) zum Erfassen einer Ei
genresonanzschwingung der Schwingvorrichtung (1) eine Gleich
richteranordnung (16) aufweist, die eingangsseitig an einem
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 Schwellwertschalt
einrichtung (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) geschaltet
ist, die ausgangsseitig mit der Schwellwertschalteinrichtung
(17) und eingangsseitig mit einem Ausgang der Gleichrichter
anordnung (16) und einem Ausgang des Schwellwertschalters (19)
verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schwingvorrichtung (1) als Empfangswandler
(3) und Erregungswandler (9) jeweils einen elektrodynamischen
Wandler, einen magnetostriktiven Wandler oder einen piezoelek
trischen Wandler aufweisen.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (6) einen Spitzenwert
begrenzer (13) aufweist.
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110301 |