DE4431631A1 - Auf Schwingungsbasis arbeitendes Meßgerät für Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein auf Schwingungsbasis arbeitendes Meßgerät für Flüssigkeiten der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 umrissenen Gattung, speziell auf die Lagerung eines solchen Meßgerätes.

Solche Schwingungsmeßgeräte werden in Zusammenhang mit der Messung der Viskosität und der Dichte von Flüssigkeiten eingesetzt, dann auch für die Füllstandsanzeige.

Aus der US-A-4,811,593 ist ein solches Meßgerät bekannt, bei dem der in die Flüssigkeit eintauchende Meßfühler am freien Ende einer Welle angeordnet ist, an deren anderem Ende ein Schwingungserreger angreift, und von der die vom Schwingungserreger erzeugten Schwingungen auf den Meßfühler am Fühler Resonanzschwingungen hervorrufend übertragen wer­ den. Eine an ein solches Meßgerät zu stellende wesentliche Bedingung ist eine vom die zu messende Flüssigkeit enthal­ tenden Gefäß gegebenenfalls dann auch eine Rohrleitung, und vom den Schwingungserreger umgebenden Gehäuse möglichst unbeeinflußte Installation des Geräts. Hierfür ist dem vor­ bekannten Meßgerät am vom Meßfühler abgekehrten Ende eine sogenannte Masse zugeordnet, über die das Meßgerät in einem das Meßgerät, speziell den Schwingungserreger umgebenden Gehäuse, abgehängt ist, wobei sich die Masse am Gehäuse über schwingungsabsorbierende Elemente abstützt. Wenn die Masse ihre Funktion zufriedenstellend erfüllen soll, bedarf es eines vergleichsweise hohen Gewichts der Masse, woraus zwangsläufig dann auch größere Abmessungen des Masseele­ ments resultieren. Daraus ergeben sich ein die Handhabung des Meßgeräts selbst beeinträchtigendes hohes Gewicht und eine dementsprechende Größe der Gesamtkonstruktion.

Die bekannte Lösung erfüllt zwar die Bedingung einer von den Schwingungen des in Betrieb befindlichen Gerätes unbe­ einflußten Lagerung des Gerätes im Gehäuse, da die in die­ sem Zusammenhang eine Rolle spielende Masse jedoch in unmittelbarer Verbindung mit dem den Schwingungserreger umgebenden, die Lagerung des Meßgerätes darstellenden Gehäuses steht, wirkt diese Art und Weise der Installation sich dämpfend auf die Funktion des Schwingungserregers aus. Das wiederum wirft Probleme in Zusammenhang mit der Ein­ stellung stabiler Schwingungsverhältnisse auf, die Voraus­ setzung für eindeutige Meßergebnisse sind. Entsprechende Probleme ergeben sich bei einer unmittelbaren Installation des Meßgerätes auf dem die zu messende Flüssigkeit enthal­ tenden Behälter.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im vorausgehenden aufgezeigten Nach­ teile zu vermeiden.

Die Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Meßgerät gelöst, das erfindungsgemäß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ausgelegt ist, insbesondere instal­ liert wird.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen 2 bis 4.

Erfindungsgemäß erfolgt also die Lagerung des Meßgerätes über das sich zwischen dem Schwingungserreger und dem in die Flüssigkeit eintauchenden Meßfühler erstreckenden Über­ tragungsglied, und zwar in einem Bereich des Übertragungs­ gliedes, in dem der Schwingungsknoten, der sich im Übertra­ gungsglied bei angeregtem Schwingungserreger ausbildenden Drallschwingungen liegt, wobei sich zu beiden Seiten der Lagerung freie Schwingungsbereiche ergeben. Im Ergebnis führt das zu einem von äußeren Einflüssen unbeeinflußten Meßgerät mit der Folge einer hohen Meßpräzision. Dieser positive Effekt stellt sich auch dann ein, wenn das Meßge­ rät, auf dem die zu messende Flüssigkeit enthaltenen Behäl­ ter fest installiert wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung weitergehend erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,

Fig. 2-5 Ausgestaltungen der Lagerung des sich zwischen dem Vibrator und dem Detektor erstreckenden Verbindungsgliedes ebenfalls im Schnitt,

Fig. 6 eine das Schwingungsverhalten einer solchen Vorrichtung andeutende Prinzipskizze.

Mit 1 ist ein Schwingungserreger (Vibrator) bezeichnet, der um die Achse Z schwingt. Von dem Schwingungserreger 1 geht das sich in der Flucht der Schwingungsachse Z erstreckende Übertragungsglied 2 aus, an dessen vom Schwingungserreger 1 abgekehrten Ende ein in die zu messende Flüssigkeit eintau­ chender Meßfühler 3 (Detektor) ebenfalls fluchtend mit der Schwingungsachse Z angesetzt ist, der durch den aktivierten Schwingungserreger 1 über das Übertragungsglied 2 angeregt wird. Dabei bilden sich im Übertragungsglied 2 den Schwin­ gungsknoten 0 durchsetzende, einen wellenförmigen Verlauf nehmende Schwingungen aus, die auf den Meßfühler 3 übertra­ gen werden (Fig. 6). Das Übertragungsglied 2 ist somit Drallschwingungen um den Schwingungsknoten 0 unterworfen, dementsprechend dann auch der Meßfühler 3.

Bei dem Übertragungsglied 2 muß es sich nicht unbedingt um eine Welle handeln, es kann sich dabei auch um ein solches mit einem rechteckigen oder einem quadratischen Quer­ schnitt, dann auch um ein verschiedene Querschnittsformen aufweisendes Übertragungsglied handeln, vorausgesetzt es ist in der Lage, Schwingungen vom Schwingungserreger 1 auf den Meßfühler 3 in der vorgegebenen Weise zu übertragen.

Wie im vorausgehenden bereits angesprochen, besteht zwi­ schen dem Schwingungserreger 1 und dem Meßfühler 3 eine Resonanzbeziehung dergestalt, daß bei um die Schwin­ gungsachse Z schwingendem Schwingungserreger der Meßfühler Schwingungen auch wieder um die Schwingungsachse Z aus­ führt. Dabei bilden sich in der Übertragungswelle 2 Drall­ schwingungen aus, die sich dann auch am Meßfühler 3 ein­ stellen. Der Meßfühler 3 taucht in die zu prüfende Flüssig­ keit 4 ein und die Beschaffenheit der Flüssigkeit, etwa was deren Viskosität oder deren Dichte betrifft, wird über das Schwingungsverhalten des Meßfühlers 3 in der Flüssigkeit 4 ermittelt.

Ein Drallschwingungen hervorrufender Schwingungserreger ist den Fig. 6 und 7 der US-A-4,811,593 zu entnehmen, dann auch den Fig. 3, 9 und 10 der US-A-4,905,499. Jeder die­ ser Schwingungserreger ist in der Lage, Drallschwingungen um eine ideelle, sich in der Flucht der übertragungswelle und des Meßfühlers erstreckende Achse hervorzurufen.

Der Schwingungserreger 1 und ein größerer Bereich der vom Schwingungserreger 1 ausgehenden Übertragungswelle 2 wird umgeben von einem diese Elemente der Vorrichtung, abschir­ menden Gehäuse 5. Der verbleibende Bereich der Übertra­ gungswelle 2 und der an dessen Ende angesetzte Meßfühler 3 springen aus dem Gehäuse 5 vor. Der überstand der Übertra­ gungswelle 2 über das Gehäuse 5, und zwar der Bereich des Überstandes, in dem der Schwingungsknoten 0 der Übertra­ gungswelle 2 ausgebildet ist, ist in einer Lagerplatte 6 gelagert, an der das den Schwingungserreger 1 umgebende Gehäuse 5 angesetzt ist. Die Lagerplatte 6 kann dann auch die Funktion eines Verschlusses für den die zu messende Flüssigkeit 4 enthaltenden Behälter 11, sich am oberen Rand des Behälters 11 abstützend, übernehmen, wobei die Lager­ platte 6 gegenüber dem Behälter 11 mittels Bohrungen 10 in der Lagerplatte 6 durchsetzende Schrauben festgelegt wird.

Insgesamt resultiert daraus eine freischwebende Aufhängung der Einheit Schwingungserreger-Übertragungswelle-Flüssig­ keitsmeßfühler.

Das freie Ende der Übertragungswelle 2 mit dem an ihr ange­ setzten Meßfühler 3 erstreckt sich aus dem den Schwingungs­ erreger 1 abschirmenden Gehäuse 5 heraus den zentrischen Durchgang 12 in der den Behälter 11 verschließenden Lager­ platte 6 durchsetzend, in den die zu prüfende bzw. kontrol­ lierende Flüssigkeit 4 enthaltenen Behälter 11, in die Flüs­ sigkeit 4 eintauchend.

Die den zentrischen Durchgang 12 in der Lagerplatte 6 durchsetzende Übertragungswelle 2 ist bei der Lösung nach Fig. 1 der Lagerplatte 6 in einer Weise zugeordnet, daß der Schwingungsknoten 0 im Niveau der Lagerplatte 6 liegt. Gegenüber der Lagerplatte 6 wird die Übertragungswelle 2 in der vorgegebenen Positionierung festgelegt. Hierfür sind an der Übertragungswelle 2 zwei Anschläge 13A und 13B ausge­ bildet, von denen der Anschlag 13A von der Oberseite der Lagerplatte 6 her in den Durchgang 12 hineinragt und der Anschlag 13B von der Unterseite der Lagerplatte 6 her. Beide Anschläge 13A und 13B stützen sich über elastische, im Einbauzustand zusammengepreßte Ringe 15 an einer in den Durchgang 12 Spiel für die den Durchgang 12 durchsetzende Übertragungswelle 2 belassend vorspringenden Ringschulter 14 ab. Auf diese Weise ist die Übertragungswelle 2 gegen­ über der Lagerplatte 6, eine Verlagerung der Übertragungs­ welle 2 gegenüber der Lagerplatte 6 in axialer Richtung unterbindend elastisch festgelegt, so die Orientierung des Schwingungsknotens 0 auf die Lagerplatte 6 fixierend.

Bei der Ausgestaltung der Lagerung der Übertragungswelle 2 in der Lagerplatte 6 nach Fig. 2 sitzt auf der Übertra­ gungswelle 2 ein ringförmiger, über die Welle 2 vorsprin­ gender, auf den Durchgang 12 der Lagerplatte 6 ausgelegter, sich im Durchgang 12 mit Spiel führender Ansatz 16. Im Ansatz 16 der Welle 2 und im Durchgang 12 sind umlaufende, in einem Niveau liegende Ringnuten 17A und 17B ausgebildet. Diese Ringnuten 17A und 17B nehmen einen elastischen Ring 15 auf, mit Hilfe dessen die Übertragungswelle 2 gegenüber der Lagerplatte 6 in der durch die korrespondierenden Ring­ nuten 17A und 17B vorgegebenen Positionierung festgelegt wird, in der sich der Schwingungsknoten 0 der Verbindungs­ welle 2 bei angeregtem System ausbildet. Auch hierbei wie­ der handelt es sich um eine, eine Verlagerung der Über­ tragungswelle 2 gegenüber der Lagerplatte 6 in axialer Richtung unterbindende elastische Lagerung unter Ausbildung der Lagerstelle im Niveau des Schwingungsknotens 0 der Welle 2.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt eine Lagerung der Übertragungswelle 2 gegenüber der Lager- bzw. Trag­ platte 6 außerhalb der Lagerplatte 6. In diesem Fall ist die Lagerplatte im Bereich des Durchganges für die Übertra­ gungswelle 2 mit einem nabenförmigen Überstand 18 versehen, mit dem eine Überwurfmutter 20 mit zentralem Durchgang für die Übertragungswelle 2 in Gewindeeingriff bringbar ist. Die am Ansatz 18 angesetzte Mutter 20 unterfängt einen die Übertragungswelle 2 mit beidseitigem Überstand durchsetzen­ den Stift 19, der sich einerseits an der Stirnseite des Ansatzes 18 und andererseits an der Mutter 20 über elasti­ sche Ringe 15 abstützt. Durch mehr oder weniger starkes Anziehen der Überwurfmutter 20 läßt sich die gewünschte durch die elastischen Ringe 15 bewirkte Einspannung hervor­ rufen.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 3 zeigen die Möglichkeit der elastisch nachgiebigen Lagerung der Übertragungswelle 2 und damit dann auch der Einheit Schwin­ gungserreger-Übertragungswelle-Flüssigkeitsmeßfühler unter Verwendung von elastischem Zwischenlagern (Puffern). Das schließt eine starre Verbindung zwischen der Übertragungs­ welle 2 und der Lagerplatte 6 nicht aus.

Wie das aus den vorausgehenden Ausführungen hervorgeht, dient die Tragplatte 6 der Lagerung der Gesamteinheit zu beiden Seiten der Lagerplatte freischwingende Bereiche der Einheit ausbildend. Der Überstand der Gesamteinheit mit dem Schwingungserreger 1 über die Lagerplatte 6 führt dabei Schwingungen um den Schwingungsknoten 0 in der in Fig. 6 angedeuteten Weise aus. Entsprechende, jedoch gegenläufige Schwingungsbewegungen führt der über die andere Seite der Tragplatte 6 vorspringende Bereich mit dem Meßfühler 3 aus. Auf diese Weise wird eine sogenannte aktive Resonanz indu­ ziert. Daraus resultiert ein Schwingungsverhalten des Schwingungserregers 1 einerseits und des Meßfühlers 3 ande­ rerseits, das jeweils einer 1/4 Wellenlänge ausgehend vom Schwingungsknoten 0 entspricht. In dieser Hinsicht unter­ scheidet sich die erfindungsgemäße Einheit von bekannten gattungsgemäßen Einheiten, bei denen lediglich der Meßfüh­ ler 3 frei schwingt. In Abwandlung kann vorgesehen sein, daß der Schwingungserreger 1 und dann auch der Meßfühler 3 in einer Weise aktiviert werden, die zu Schwingungen führt, die n/2 Wellenlängen plus 1/n Wellenlänge ausgehend vom Schwingungsknoten 0 entspricht, wobei n für eine ganze Zahl steht. Die Erfindung deckt dann auch Systeme mit einer Mehrzahl von sich auf dem Übertragungsglied bzw. der Über­ tragungswelle 2 ausbildenden Schwingungsknoten mit der Maß­ gabe ab, daß einer Schwingungsknoten in der vorgegebenen Weise im Bereich der Lagerplatte 6 zu positionieren ist.

Aus den Fig. 4 und 5 sind weitere Möglichkeiten der Zusammenfassung des Übertragungsgliedes bzw. der Übertra­ gungswelle 2 zu entnehmen, die auf Puffer im Bereich der Zusammenfassung der übertragungswelle mit der Lagerplatte verzichten. Nach Fig. 4 wird die sich durch den Durchgang 12 in der Lagerplatte 6 hindurch erstreckende Übertragungs­ welle 2 im Niveau des in der Welle 2 ausgebildeten Schwingungsknotens 0 von einem Stift 19 durchsetzt, der beidseitig in vom Durchgang 12 ausgehenden Rücksprüngen 21 in der Lagerplatte 6 in horizontaler Richtung begrenzt ver­ lagerbar gelagert ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist die die Lagerplatte 6 mit Spiel durchsetzende Übertra­ gungswelle 2 mit einen hinreichenden Überstand aufweisenden Ringschultern 13A und 13B versehen, die zu beiden Seiten der Lagerplatte 6 anliegend, auch wieder eine Verlagerung der Übertragungswelle 2 gegenüber der Tragplatte 6 in hori­ zontaler Richtung zulassen. Sowohl der die Übertragungs­ welle 2 durchsetzende, sich in der Tragplatte 6 führende Stift 19 (Fig. 4) als auch die gegenüber die Übertragungs­ welle 2 vorspringenden, an beiden Seiten der Lagerplatte 6 anliegenden Schultern 13A und 13B unterbinden die nicht gewünschte Verlagerung der Übertragungswelle 2 in der Flucht der Welle 2 und damit dann auch der Schwingungsachse Z.

Den Ausführungsformen der Lagerung der Übertragungswelle 2 in der Lagerplatte 6 nach den Fig. 1 bis 5 ist gemein­ sam, daß die Übertragungswelle 2 nicht starr mit der Lager­ platte verbunden ist, woraus ein günstigeres Schwingungs­ verhalten des Systems resultiert.

Mit den bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 vorgesehenen elastischen Zwischenlagern 15 ist der zusätzliche Vorteil einer Abdichtung des Schwingungserre­ gerbereich gegen aus dem Behälter 11 über die Übertragungs­ welle 2 auswandernder Flüssigkeit 4 verbunden, umgekehrt dann auch eine Abdichtung des Behälters 11 gegen den unerwünschten Zutritt von Fremdstoffen.

Das erfindungsgemäße Gerät ist somit bestens für eine Installation auf einem Flüssigkeitsbehälter geeignet, dann auch an einer Rohrleitung, die von Flüssigkeit durchströmt wird, weitergehend dann auch an Behältern, in denen sich Flüssigkeiten befinden, die chemischen Reaktionen ausge­ setzt sind, sei es zur Messung der Viskosität oder der Dichte der Flüssigkeit, sei es für die Füllstandsanzeige.

Festzuhalten ist noch einmal, daß es sich bei der Welle 2 um ein sich in der Flucht der Schwingungsachse Z erstreckendes Übertragungsglied für die Übertragung der Schwingun­ gen des aktivierten Schwingungserregers 1 auf den Meßfühler 3 handelt. Die Welle 2 kann über ihre gesamte Länge ein und denselben Querschnitt aufweisen, gleichermaßen in Teilbe­ reichen einen größeren oder kleineren Querschnitt.

Mit 22 ist in Fig. 1 ein Schwingungsfühler (Sensor) bezeichnet, der dem Schwingungserreger 1 auf der vom Meßfühler 3 abgekehrten Seite zugeordnet ist. Bei der Mes­ sung, also bei in die zu messende Flüssigkeit eingetauchtem angeregten Meßfühler 3 ändert sich die Belastung des Schwingungserregers 1. Der Schwingungsfühler 22 registriert die Belastungsänderung und vermittelt entsprechende Signale an ein auswertendes Gerät. Dieses Gerät kann in dem auf der Lagerplatte 6 aufsitzenden, den Schwingungserreger 1 abschirmenden Gehäuse 5 untergebracht sein.

Bestandteil des Sensors 22 kann beispielsweise ein piezo­ elektrisches Element sein, an dem Spannung liegt, das Ände­ rungen des Schwingungsverhaltens, ausgelöst durch den in die zu messende Flüssigkeit eintauchenden Meßfühler 3, in elektrische Signale umsetzt, die ausgewertet werden. An den Schwingungserreger 1 wird für seine Aktivierung Spannung über das Kabel 24 gelegt.

Dem Schwingungserreger 1 kann zur Stabilisierung des Schwingungsverhaltens auf der vom Meßfühler 3 abgekehrten Seite auch wieder eine Beschwerung (Masse) 25 zugeordnet werden, die bei vergleichbarer Wirkung leichter und kleiner ausgelegt sein kann als das nach dem Stand der Technik er­ forderlich ist.

Das erfindungsgemäße System kann dem die zu messende Flüs­ sigkeit enthaltenden Behälter über die sogenannte Lager­ platte einwandfrei und anhaltend zugeordnet werden, und zwar ohne jegliche Beeinträchtigung des Schwingungsverhal­ tens des Meßsystems durch äußere Einflüsse. Daraus resul­ tiert ein hoher Grad von Präzision bei der mit dem System durchzuführenden Flüssigkeitsmessung.

Claims (4)

1. Lagerung eines auf Schwingungsbasis arbeitenden Meß­ gerätes für Flüssigkeiten, bestehend aus einem um eine Schwingungsachse schwingenden Schwingungserreger (Vibrator) und einem in die zu messende Flüssigkeit eintauchenden, von dem Vibrator in Schwingungen ver­ setzbaren Meßfühler (Detektor) mit einem sich zwischen dem Vibrator und dem Detektor erstreckenden, dem Detektor bei angeregtem Vibrator Drallschwingungen vermittelnden Übertragungsglied, dadurch gekennzeich­ net, daß das Meßgerät in einer vom Übertragungsglied (2) durchsetzten Tragplatte (6) über das in die Trag­ platte (6) im Bereich eines in ihr ausgebildeten Schwingungsknotens (0) unter Unterbindung von Verlage­ rungen des Meßgerätes gegenüber der Tragplatte (6) in axialer Richtung eingespannte Übertragungsglied (2) beidseitig der Tragplatte (6) freie Schwingungsberei­ che ausbildend gelagert ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine begrenztes Spiel zwischen der Tragplatte (6) und dem Übertragungsglied (2) in radialer Richtung belassende Zuordnung des Übertragungsgliedes (2) zur Tragplatte (6).

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Übertragungsglied (2) unter Ein­ fügung eines elastischen Puffers (15) in die Tragplat­ te (6) eingespannt ist.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch einen Abstand einerseits des Vibrators (1) und andererseits des Detektors (3) vom Schwin­ gungsknoten (0), der einer 1/4 Wellenlänge entspricht.