HU210399B

HU210399B - Device for detecting and/or controlling predetermined filling level of a tank

Info

Publication number: HU210399B
Application number: HU91819A
Authority: HU
Inventors: Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1991-03-13
Publication date: 1995-04-28
Also published as: JP2504628B2; ATE144322T1; CA2038158A1; ZA911868B; HU910819D0; DE59108274D1; HUT66025A; DE4008135A1; US5264831A; EP0449023B1; DE4008135C2; JPH05107098A; CA2038158C; EP0449023A1

Description

A találmány tárgya készülék tartály előre meghatározott telítettségi szintjének megállapítására és/vagy ellenőrzésére, egy előre meghatározott telítettségi szint magasságában szerelt érzékelővel, amely egy membránnal rendelkezik, és amely membrán a tartályba töltött anyaggal érintkezésbe kerül, ha a betöltött anyag az előre meghatározott szintet eléri vagy azt meghaladja, valamint egy elektromechanikus gerjesztőátalakítóval, amely feszültség alatt a membránt lengésbe hozza, egy elektromechanikus vevőátalakítóval, amely a membrán lengéseit váltófeszültséggé alakítja át, és egy kiértékelő-kapcsolással a kijelző és/vagy kapcsolási folyamatok megindítására, függően a vevőátalakító által szolgáltatott váltófeszültség frekvenciájától, fázisától vagy amplitúdójától.

Ilyen készülékeket ismerhetünk meg a GB 1 531 729 angol szabadalmi és a DE 2 632 297 német közzétételi iratból. Ezeknél az ismert készülékeknél a tartálynak azon a helyén, ahova az érzékelő fel van szerelve, a tartály egy nyílással rendelkezik, amelybe az érzékelő membránja, amely vékonyabb, mint a tartály falvastagsága, úgy van beerősítve, hogy a tartályban lévő anyag azzal érintkezésbe tudjon kerülni, ha a telítettségi szint az érzékelő magasságát eléri vagy meghaladja. Ezek az ismert megoldások több problémát idéznek elő. Gyakran nem kívánatos, vagy például robbanékony anyagok esetén nem is megengedhető a tartály falát áttöréssel ellátni. Az érzékelő beépítését követően pedig a nyílást ismét nyomásbiztosan kell zárni. Mindenekelőtt nehéz egy érzékelőt utólag egy már meglévő és üzembehelyezett tartályba beszerelni, mert a tartály falán kiképzendő áttöréshez a tartályt ki kell üríteni. Ezen túlmenően egy ilyen áttörése a tartályfalnak, olyan tartályok esetében, melyekben élelmiszer van tárolva, a szigorú higiéniai követelmények miatt megnövekedett tisztítási igénnyel jár.

A DE 2 743 394 német közzétételi iratból már ismert egy olyan megoldás, ahol az érzékelő az anyag előre meghatározott magasságában a tartály külső oldalán van rögzítve, anélkül, hogy szükség lenne nyílás kialakítására a tartály falán. Ez esetben azonban nem egy membrán érzékelő kerül alkalmazásra, hanem egy hang- vagy ultrahang-reflexiós érzékelő, amely hangvagy ultrahang impulzusokat sugároz a tartályfalon keresztül és a tartályfal túlsó oldaláról reflektált visszhang impulzusokat felfogja. A reflexiós érzékelő felerősítése a tartályfalra a tartályra helyezett feszítőszalag segítségével történik.

A találmány feladata egy olyan készülék létrehozása tartályok előre meghatározott telítettségi szintjének megállapítására és/vagy ellenőrzésére, egy előre meghatározott telítettségi szint magasságában szerelt érzékelővel, amely egy membránnal rendelkezik, amely membrán a tartályba töltött anyaggal érintkezésbe kerül, ha a betöltött anyag az előre meghatározott szintet eléri vagy azt meghaladja, valamint egy elektromechanikus gerjesztőátalakítóval, amely feszültség alatt a membránt lengésbe hozza és egy elektromechanikus vevőátalakítóval, amely a membrán lengéseit váltófeszültséggé alakítja át, és egy kiértékelő-kapcsolással a kijelző és/vagy kapcsolási folyamatok megindítására, függően a vevőátalakító által szolgáltatott váltófeszültség frekvenciájától, fázisától vagy amplitúdójától, ahol is nincsen szükség a tartály falán nyílás kialakítására.

A találmány szerint ez azzal érhető el, hogy a tartály falának egy szakasza membránfelületként van kialakítva, amely a tartály külső oldalán elrendezett, a tartály falával lengőmechanikus kapcsolatban álló gyűrűvel vagy kerettel van határolva.

A találmány azon a felismerésen alapul, hogy egy tartályfal gyűrűvel vagy kerettel lehatárolt viszonylag nagytömegű szakasza meg tudja valósítani egy hajlítólengéseket foganatosító membrán funkcióját. Természetesen a lehatárolt membránszakasz felületi kiterjedésének a tartály falvastagságához képest megfelelően nagynak kell lennie, annak érdekében, hogy a lehatárolt szakasz valóban membránként viselkedjék. A lehatárolt szakasz azután, mint egy membrán lengésbe hozható, ahol is a gyűrűvel vagy kerettel szoros kapcsolatban álló kerület menti sáv a membránszegély befogásának szerepét tölti be, minthogy e sáv a gyűrű vagy keret nagy tömege következtében nem jön lengésbe. Ebből adódóan a lengési energiának csak egy rendkívül csekély része adódik át a gyűrűn vagy kereten kívül eső tartályfalra.

Minthogy a tartályfal egy szakasza a membrán funkcióját átveszi, nincsen szükség a tartályfal áttörésére egy különálló membrán szereléséhez. A találmány szerinti készülék alkalmazása ezért olyan esetekben különösen előnyös, ahol a tartályfal áttörése nem kívánatos, esetleg tiltott. Ezenkívül problémamentesen szerelhető fel már meglévő tartályokra, anélkül, hogy ezeket ki kellene üríteni. Mindezeken felül semmiféle tömítési probléma nem merül fel.

A találmány szerinti készülék alkalmas a tartályba töltött anyagok telítettségi szintjének megállapítására vagy ellenőrzésére mind folyékony, mind szilárd anyagok esetén. Folyadékok esetében a szintmagasság ellenőrzésére a lehatárolt membránszakasz előnyösen egy saját rezonancia frekvenciánál lesz rezgésbe hozva és a szintmagasság megállapításához a rezgések frekvenciája és/vagy a fázisa kerül kiértékelésre. A membránszakasz saját rezonancia frekvenciája és a fázisa megváltozik, ha a folyadékkal érintkezik, minthogy az érintkező folyadékmennyiség együtt rezeg, miáltal a rezgő tömeg megnövekszik. Az egész frekvenciaeltolódást az együttrezgő folyadékmennyiségen kívül a folyadék által a membránszakaszra kifejtett viszkózus csillapítóerők idézik elő. Szemcsés, poralakú vagy más szilárd anyagok esetében viszont a szintmagasság megállapítása a rezgések amplitúdójának kiértékelése útján történik, minthogy ezek az anyagféleségek a lehatárolt membránszakasz rezgéseit csillapítják, amennyiben azzal érintkezésbe kerülnek.

A találmány jellemzőit és előnyeit a következő, ábrák segítségével bemutatott kiviteli példák ismertetik. Az

1. ábra egy tartály két készülékkel egy maximális és egy minimális szintmagasság megállapítására és ellenőrzésére, a

HU 210 399 Β

2. ábra az 1. ábrán bemutatott érzékelők egyikének felülnézete, a

3. ábra a 2. ábra szerinti érzékelő metszete az ott

III-III-al jelölt sík mentén, a

4. ábra a 2. és 3. ábra szerinti érzékelő membránszakaszának saját rezonancia frekvenciája és a szintmagasság összefüggésének diagramja, az

5. ábra a 2. és 3. ábra szerinti érzékelő amplitúdófrekvencia jelleggörbéje a tartály két különböző szintmagasságánál, a

6. ábra az érzékelő másik kiviteli alakja, a

7. ábra a 6. ábra szerinti érzékelő egy részének felerősítési módja a tartály falára, a

8. ábra a 6. ábra szerinti érzékelő keretelemek részben metszetben ábrázolt képe, a

9. ábra a 6. ábra szerinti érzékelő oldalsó keretlécének részben metszetben ábrázolt perspektivikus képe, a

10. ábra a 9. ábra szerinti keretléc egy részben metszetben ábrázolt elölnézete, a

11. ábra a 6. ábra szerinti érzékelő egy másik oldalsó keretlécének részben metszetben ábrázolt perspektivikus képe, és a

12-14. ábra az érzékelővel elérendő hatás magyarázatának grafikus ábrázolása.

Az 1. ábra egy 10 tartályt ábrázol, amely H szintmagasságig 11 folyékony anyaggal van megtöltve. A H szintmagasság a 10 tartályban a kívánt szintmagasság, mely nem süllyedhet egy Hmin minimális érték alá és nem haladhat meg egy Hmax maximális értéket. A maximális szintmagasság ellenőrzésére a 10 tartály 12 falára a Hmax maximális érték magasságában egy 14 szintmagasságérzékelő van szerelve, amelyhez egy hozzá tartozó 17 gerjesztő és kiértékelő kapcsolás van kötve. Mindkét 14 és 16 szintmagasságérzékelő úgy van kialakítva, hogy az a hozzárendelt 15 és 17 gerjesztő és kiértékelő kapcsoláshoz egy elektromos jelet továbbít, mely jelzi, hogy az érzékelő magasságában van-e anyag a tartályban.

A 14 szintmagasságérzékelőt a 2. és 3. ábra ismerteti közelebbről. A 14 és 16 szintmagasságérzékelők teljesen azonosan vannak kiképezve, így a 14 szintmagasságérzékelő leírása vonatkozik a 16 szintmagasságérzékelőre is. Ezekre a 14,16 szintmagasságérzékelőkre jellemző, hogy azok a 10 tartály külső oldalán vannak elrendezve, és működésükhöz nincsen szükség a 10 tartály 12 falán kialakított nyílásra.

A 2. és 3. ábra a 10 tartály 12 falának egy szakaszát mutatják az arra szerelt 14 szintmagasságérzékelővel, ahol is a 10 tartály 12 falát síknak tételezzük fel. A 10 tartály 12 falának külső oldalára egy fémből készült 20 gyűrű erőzáró kapcsolattal van felerősítve, oly módon, hogy az a 10 tartály 12 falával lengőmechanikus kapcsolatban áll. Az ábrázolt kiviteli példa esetében az erőzáró kapcsolat oly módon került megvalósításra, hogy a 10 tartály 12 falára több 21 menetes orsó van rögzítve, melyek a 20 gyűrű furatain keresztülnyúlnak. A 21 menetes orsók a 10 tartály 12 falára hegesztéssel vagy más módon kerülhetnek felerősítésre. A 21 menetes orsókra csavart 22 anyákkal a 20 gyűrűt a 12 tartályfalhoz szorítjuk. Ezáltal a 20 gyűrű a 12 tartályfal egy körkerületu felületét határolja körül, mely szakasz az érzékelő membránjául szolgál.

Annak érdekében, hogy a 24 membránfelület határozott körülhatárolását érjük el a tartályfalon, a 20 gyűrűnek a tartályfal felé eső felületét enyhén kúposán úgy alakítjuk ki, hogy a 20 gyűrűnek csak a belső éle feküdjék fel a 12 falon. A 3. ábrán az említett kúposság a szemléltetés érdekében eltúlzott, a valóságban a 12 fal és a 20 gyűrű által bezárt szög jóval kisebb, például 0,1° nagyságrendű.

Annak érdekében, hogy az eképpen meghatározott 24 membránfelület egy elegendően kis munkafrekvenciával működtethető legyen, a körülhatárolt körkerületű felület, azaz a 24 membránfelület átmérőjét, tehát a 20 gyűrű belső átmérőjét megfelelően nagyra kell megválasztani a tartályfal d vastagságához képest. Például a munkafrekvencia mintegy 5 kHz lehet, ha a 10 tartály d falvastagsága 2,5 mm, a 24 membránfelület pedig körülbelül D = 60 mm átmérővel rendelkezik.

A 20 gyűrűre a függőleges átmérő irányában 25 híd van erősítve. A 25 híd fémből készült merev elem, mely mindkét végén furattal rendelkezik. A 25 híd ezen furataival két diametrálisan elhelyezkedő 21 menetes orsóra felcsavarozott egy-egy 22 anya segítségével a 20 gyűrűhöz van rögzítve.

A 25 híd és a 24 membránfelület között a 20 gyűrű közelében 30 gerjesztőátalakító van elrendezve, mely váltóárammal létesített gerjesztés útján a 24 membránfelületet lengésbe hozza. Példaképpen a 30 getjesztőátalakító kialakítható egymásra helyezett 31 piezoelemekből, amelyek a 24 membránfelület és egy 32 nyomólapocska között egymáshoz vannak szorítva. Egy 33 hemyócsavar, mely a 25 híd menetes furatába van csavarva, szorítja egymáshoz a 33 nyomólapocskán keresztül az egymásra helyezett 31 piezoelemeket, hogy azoknak egy bizonyos előfeszítettsége a 24 membránfelületen létrejöjjön. A 33 hernyócsavar segítségével beállítható az az erő, mellyel a piezoelemcsoport a 24 membránfelületre szorítható.

A piezoelemcsoport minden 31 piezoeleme ismert módon két elektróda között elrendezett tárcsa alakú piezokristályból áll. A két elektródára adott feszültség hatására változik a piezokristály vastagsága a feszültség függvényében. A 31 piezoelemek villamosán párhuzamosan vannak kapcsolva, minek következtében azok vastagsága a ráadott feszültség hatására azonos értelemben változik; mechanikusan viszont sorba vannak kapcsolva, melynek eredményeként a vastagságváltozások összeadódnak. Ezzel változik a piezoelemcsoport axiális hosszúsága a 31 piezoelemekre adott feszültség függvényében. Minthogy a piezoelemcsoport egyik végén a 25 hídba csavart 33 hernyócsavar révén rögzítve van, a piezoelemcsoport hosszváltozásai a 24 membránfelületre fejtik ki hatásukat, amely 24 membránfelület ennek következtében és ennek megfelelően deformálódik. A 24 membránfelület lengési amplitúdója a tartályfal d vastagságától függően nagyságrendileg néhány pm. A 24 membránfelület közepén

HU 210 399 Β a 25 híd és a 24 membránfelület között egy 40 vevőátalakító van elrendezve, amely a 24 membránfelület mechanikus rezgéseire reagál és azokat villamos feszültséggé alakítja. Példaként tételezzük fel, hogy a 40 vevőátalakító, hasonlóan a 30 gerjesztőátalakítóhoz, mint piezoelektromos átalakító van kialakítva. A 30 gerjesztőátalakítótól eltérően azonban a 40 vevőátalakító esetében elegendő egyetlen 41 piezoelem alkalmazása. A 41 piezoelem és a 42 nyomólapocska közé melyekre a 43 hernyócsavar fejt ki nyomóhatást - egy 44 szilikonmasszahenger van elrendezve. A 43 hernyócsavar, mely a 25 híd egy menetes furatába van becsavarva a 42 nyomólapocskán és a 44 szilikonmasszahengeren keresztül nyomóerőt fejt ki a 41 piezoelemre, mely nyomóerő a 41 piezoelemnek a 24 membránfelületen való felfekvését biztosítja, ahol is a 44 szilikonmasszahenger egy elasztikus rugóelem szerepét tölti be. A 44 szilikonmasszahenger alkalmazása, egy például fémből készült spirálrugó helyett, a szilikonmassza azon kedvező tulajdonságán alapul, hogy a szilikonmassza nemlineáris, progresszíven emelkedő rugógörbével és egy bizonyos belső csillapítással rendelkezik.

A 30 geqesztőátalakító 15 gerjesztő és kiértékelő kapcsolás kimenetére van kötve, a 40 vevőátalakító pedig a 15 gerjesztő és kiértékelő kapcsolás bemenetéhez van csatlakoztatva. A 15 gerjesztő és kiértékelő kapcsolás feszültséget ad a 30 gerjesztőátalakítóra, minek következtében a 30 gerjesztőátalakító a 24 membránfelülettel érintkező helyén arra váltakozó erőt fejt ki, mely merőlegesen irányított a 24 membránfelületre. Ezáltal a 24 membránfelület hajlító-lengésekbe kezd.

A hajlító-lengések hatására a 24 membránfelület közepén elrendezett 40 vevőátalakítóra erők fejtődnek ki, melyeket a 40 vevőátalakító váltófeszültséggé alakít és a 15 gerjesztő és kiértékelő kapcsoláshoz vezet.

A 40 vevőátalakítónak a 24 membránfelület közepén való elrendezése a legkedvezőbb, mert e helyütt az alaplengés-modushoz tartozó hajlítólengés amplitúdója a legnagyobb, míg valamennyi páros számú magasabb lengésmodushoz tartozóan ez lényegében nulla. A 40 vevőátalakító e helyütt történő elhelyezése ezért a legnagyobb érzékenységet biztosítja az alaplengés modushoz, míg más modusoknál ez messzemenően alacsonyabb értékű. Ezzel szemben a 30 gerjesztőátalakító elhelyezése a perem közelében a legkedvezőbb, mert ott kis lengési amplitúdók jelentkeznek. Ez lehetővé teszi a lengésgerjesztéshez szükséges merev előfeszítést a 30 gerjesztőátalakító részére.

Amennyiben a 10 tartályban tárolt anyag folyadék, a 24 membránfelület saját rezonancia-frekvenciája attól függ, hogy a 24 membránfelületet a 10 tartály 12 falának belső oldalán elhelyezkedő folyadék fedi-e vagy sem. Amíg a fedetlen 24 membránfelület esetében a lengő tömeget csupán csak a 24 membránfelület határozza meg, fedett 24 membránfelületnél a 24 membránfelülettel érintkező folyadék is lengésbe jön. A lengő rendszer tömege így fedett 24 membránfelület esetében nagyobb, és ennek megfelelően a saját rezonancia-frekvencia kisebb. A folyadék viszkozitásából adódó további csillapítás növeli a frekvenciaváltozást.

A 4. ábra szerinti diagram a 10 tartályban lévő anyag szintmagasságának és a 24 membránfelület saját rezonancia-frekvenciájának összefüggését mutatja H szintmagasság - f frekvencia koordinátarendszerben. A szintmagasságot a függőleges tengelyen ábrázoljuk, minthogy ez megfelel a térbeli viszonyoknak, tekintettel arra, hogy a szintmagasságot függőleges irányban mérjük. A C pont a 24 membránfelület legmélyebben, a B pont pedig a legmagasabban fekvő pontjának felel meg. A C és B pontok közötti távolság a 24 membránfelület D átmérőjének felel meg. A C és B pontok a 2. és 3. ábrán hasonló értelemben vannak feltüntetve.

A 4. ábra szerinti diagramon megadott f frekvencia értékek megfelelnek egy gyakorlati kiviteli példának, ahol is a már korábban megadott méreteknek megfelelően a 10 tartály d falvastagsága 2,5 mm, a membránfelület D átmérője pedig 60 mm. Amikor a szintmagasság a 10 tartályban a 24 membránfelület legmagasabban fekvő B pontja fölött van, a 24 membránfelület saját rezonancia-frekvenciája mintegy 4,1 kHz, mely függetlenül az említett B pont feletti telítettségi szinttől nem változik. Ha a 10 tartályban a szintmagasság a 24 membránfelület legmélyebb C pontja alá kerül, a 24 membránfelület saját rezonancia-frekvenciája mintegy 5,3 kHz, mely ugyancsak nem változik, ha a telítettségi szint tovább süllyed. E között a két frekvenciaérték között mutatkozó jelentős különbség, mintegy 1,2 kHz, lehetővé teszi annak felismerését, hogy a 10 tartály telítettségi szintje az érzékelő 24 membránfelület alatt vagy fölött van.

Ha a szintmagasság a C és B pontok között van, vagyis a 24 membránfelület a 10 tartályban lévő anyag által részben fedett, a saját rezonancia-frekvencia igen erősen függ a fedettség mértékétől. Amennyiben a szintmagasságot a legmagasabban fekvő B pont alá csökkentjük, a saját rezonancia-frekvencia kezdetben csak kis mértékben változik mindaddig, amíg a telítettségi szint a 24 membránfelület felső szélső zónáiban mozog.

A 24 membránfelület középső zónájában azonban a saját rezonancia-frekvenciának gyors változása következik be, ahol is a frekvenciagörbének a 24 membránfelület közepe táján W inflexiós pontja van. A 24 membránfelület alsó zónájában a saját rezonancia-frekvencia érték csaknem eléri a fedetlen 24 membránfelülethez tartozó értéket, úgy hogy további szintmagasság csökkenés esetén ez az érték csak nagyon kis mértékben változik. Természetesen ugyanez a frekvencia értékváltozási folyamat játszódik le ellenkező irányban is, vagyis ha a szintmagasság a 24 membránfelület tartományában emelkedik.

Az 5. ábra szerinti diagram a 40 vevőátalakító által regisztrált lengési A amplitúdókat mutatja, az esetben, ha a 30 gerjesztőátalakítóra adott váltófeszültség f frekvenciája a 0 kHz és 10 kHz tartományban változik. Az E görbe annak az állapotnak felel meg, amikor a 10 tartály telítettségi szintje a 14 szintmagasságérzékelő fölött van, úgy, hogy a 24 membránfelületet a 10 tartályban lévő anyag teljesen fedi, ezzel szemben az F görbe azt a helyzetet szemlélteti, mikor is a 10 tartály telítettségi szintje a

HU 210 399 Β szintmagasságérzékelő alatt van, vagyis a 24 membránfelületet a 10 tartályban lévő anyag nem fedi. Az E görbének kifejezett maximuma van a 4,1 kHz frekvencia értéknél, mely megfelel a saját rezonancia-frekvenciának, fedett 24 membránfelület esetén; az F görbe pedig kifejezett maximum értékkel rendelkezik 5,3 kHz frekvencia értéknél, mely viszont a fedetlen 24 membránfelületnek felel meg. A részben fedett 24 membránfelület esetén a görbe maximuma ezen két frekvencia érték között fekszik. E mindenkori frekvenciaérték a 4. ábrából leolvasható, a megfelelő telítettségi szinthez kapcsolódóan.

A 4. és 5. ábrából adódóan az átlag szakember részére szakismereteire tekintettel - különböző lehetőség kínálkozik a 15 gerjesztő- és kiértékelőkapcsolás kialakítására. Például a geqesztő- és kiértékelőkapcsolás váltófeszültség forrása kialakítható oly módon, hogy a 30 gerjesztőátalakítóra adott váltófeszültség frekvenciája egy olyan tartományban változik periodikusan, mely rendelkezik valamennyi előforduló rezonancia-frekvenciával. A15 gerjesztő- és kiértékelőkapcsolás rendelkezik továbbá egy csúcsérték detektorral, mely a 40 vevőátalakító maximális kimenőjelét ki tudja szűrni, valamint egy frekvenciadiszkriminátorral, mely megadja, hogy a gerjesztő váltófeszültség mely frekvenciaértékénél lép fel ez a maximum. A 4. ábra alapján, mely előzőleg a megfelelő szintérzékelő részére került felvételre és például táblázat formájában tárolásra került, a megállapított frekvencia értékhez hozzárendelhetjük a megfelelő szintmagasságot.

A 15 gerjesztő- és kiértékelőkapcsolás egy másik kiviteli alakja szerint a gerjesztő váltófeszültség frekvenciáját állandóan a 24 membránfelület rezonanciafrekvenciájával azonos értéken tartjuk. Ez elérhető azzal az általában ismert módszerrel, hogy a 40 vevőátalakító a 30 gerjesztőátalakítóval egy erősítőn keresztül egy visszacsatolt öngeqesztókörrel van összekötve. Ebben az esetben már csak egy magától beálló öngerjesztő frekvenciát kell megállapítani, amely a 15 gerjesztő- és kiértékelőkapcsolásban lévő frekvenciadiszkriminátorral történik.

Továbbá lehetséges a 15 gerjesztő- és kiértékelőkapcsolást úgy is kialakítani, hogy a 30 gerjesztőátalakító gerjesztése egyenáramú impulzusok hatására jön létre. Egy egyenáramú impulzus, mint ismeretes, egy frekvenciaspektrummal rendelkezik, melynek tetjedelme az impulzusszélességtől függ. Ha az impulzusszélesség úgy kerül beállításra, hogy a 24 membránfelület előforduló rezonancia-frekvenciáit a frekvenciaspektrum tartalmazza, a 24 membránfelület a saját rezonancia-frekvencia értékénél hajlító-lengésbe jön. A 40 vevőátalakító kimenőjele azután minden gerjesztőimpulzus után egy lecsengő lengéshullám, melynek frekvenciája megfelel a rezonancia-frekvenciának, és ugyancsak egy frekvenciadiszkriminátorral határozható meg.

A leírt 14 szintmagasságérzékelő lehetővé teszi a telítettségi szinttől függő saját rezonancia-frekvencia változásának egy másik kiértékelését, mely kalibrálás nélkül megfelelő pontossággal jelzi, hogy a szintmagasság a 10 tartály töltésekor vagy ürítésekor a membrán középvonala fölött vagy alatt van. Ennél a kiértékelő módszernél azt a korábban említett tényt hasznosítjuk, hogy a 4. ábra szerinti frekvenciagörbe a 24 membránfelület egy bizonyos helyén W inflexiós ponttal rendelkezik. A W inflexiós pont meghatározásával kalibrálás nélkül megállapítható, hogy mikor érte el a telítettségi szint a 24 membránfelület ezen helyét.

A frekvencia helyett lehetséges a 40 vevőátalakító kimenőjele és a 30 gerjesztőátalakítóra adott geijesztőváltófeszültség közötti fáziskülönbséget meghatározni és a telítettségi szint megállapítására kiértékelni, minthogy ez a fáziskülönbség a szintmagasság függvényében hasonlóképpen a frekvenciához, egyértelműen változik. Ez esetben a 15 geqesztő- és kiértékelőkapcsolás a frekvenciadiszkriminátor helyett egy fázisdiszkriminátorral rendelkezik.

Függetlenül a hajlítólengések gerjesztésének módjától, a 30 gerjesztőátalakító és a 40 vevőátalakító kimenőjelének kiértékelése által a leírt 14 szintmagasságérzékelőnek egy lényeges előnye abban áll, hogy nem csak az állapítható meg, hogy a szintmagasság a 24 membránfelület fölött vagy alatt van, hanem nagy pontossággal az is meghatározható, hogy a telítettségi szint a 24 membránfelületen belül hol helyezkedik el.

Nem szükségszerű, hogy a lehatárolt 24 membránfelület kör alakú legyen; más formát is ölthet, lehet például négyzet vagy téglalap alakú. Ez esetekben a 2. és 3. ábra szerinti 20 gyűrű helyett a tartályfalra egy a kívánt felületnek megfelelő keret kerül felerősítésre. Lehetséges továbbá a leírt 14 szintmagasságérzékelőt nemcsak sík, hanem ívelt tartályfalakon is alkalmazni, ahol természetesen a fémből készült 20 gyűrű vagy fémből előállított keret oly módon kell, hogy kialakításra kerüljön, hogy az minden helyen a tartályfallal lengőmechanikus kapcsolatban álljon. Természetesen a 20 gyűrűnek vagy keretnek nem kell feltétlenül egy darabból álló vagy hézagmentesen összefűzött testből állnia. Több darabból is állhat, melyek egymástól függetlenül és/vagy hézagokkal kerülnek a tartályfalra felerősítésre.

A 6-11. ábrákon az érzékelőnek egy olyan kiviteli alakja kerül bemutatásra, mely a fent említett módozatokat egyesíti. Ennél a kiviteli példánál a 24 membránfelület lehatárolására egy téglalap alakú 50 keret kerül alkalmazásra, amely úgy van kiképezve, hogy az tetszés szerint síkfelületű tartályfalakra, vagy különböző íveltségű hengeres tartályfalakra rögzíthető legyen. E célból az 50 keret felső és alsó része 51 illetve 52 szegmensekre van osztva, a két szélső 53 és 54 keretléc pedig egy darabból van kiképezve. Minden 51 és 52 szegmens egy 55 illetve 56 furattal van ellátva, hogy az 51, 52 szegmensek 60 menetes orsókra felfűzhetők legyenek; az oldalsó 53 és 54 keretlécek pedig hasonló célból több 57 illetve 58 furattal vannak kiképezve.

A 7. ábra azt mutatja, miképpen lesz egy 51 szegmens egy ívelt 59 falra egy 60 menetes orsó segítségével a 60 menetes orsóra felcsavart 61 anyával és az az alá helyezett 62 alátéttel rögzítve. A 60 menetes orsó előnyösen hegesztéssel kerül a tartály 59 falához rögzítésre, oly módon, hogy az az 59 falra merőlegesen álljon. Az 51 szegmensnek a tartálypalást alkotójával

HU 210 399 Β párhuzamosan futó élei 63 lábazattal vannak kialakítva, melyek az 59 falra felfekszenek, míg az 51 szegmens a 63 lábazatai közötti rész a kiképzésnek megfelelő távolságra van az 59 faltól. Ezáltal elérhető, hogy az 59 fal íveltsége ellenére az 51 szegmens az 59 falra pontosan meghatározva felfeküdjék. Valamennyi 51 és 52 szegmens hasonló módon van kialakítva és rögzítve. Amint a 6. ábra mutatja, az 53 és 54 oldalsó keretlécek is függőleges élük mentén 64 illetve 65 lábazattal vannak kialakítva, melyek az 59 fal palástjának alkotója mentén az 59 falra felfekszenek. Ezek az oldalsó 53, 54 keretlécek, hasonlóképpen a fentebb leírtakhoz, az 57 furatokon átnyúló 60 menetes orsókkal vannak az 59 falhoz erősítve.

Az 50 keret egyes elemei a 60 menetes orsókra való szerelésük előtt egy rugóval vannak összehúzva, amint ez a 8. ábrán bemutatott, részben metszetben ábrázolt 51 szegmensek és az 53,54 oldalsó keretlécek esetében látható. Egy 70 húzórugó van a 71 furatokban elrendezve, mely az 51 szegmensekbe és az 53, 54 keretlécekbe oly módon van befűzve, hogy az 51 szegmensek és az 53,54 keretlécek síklapjaikkal történő egymáshoz fektetésekor a 71 furatok egytengelyűén csatlakoznak egymáshoz. A 71 furatok természetesen azon furatok síkján kívül fekszenek, melyek a menetes orsókra való felfűzésre szolgálnak. A 70 húzórugó mindkét vége, a 70 húzórugó előfeszítettsége mellett, 72 csapokhoz van rögzítve, melyek az 53 és 54 keretlécekben vannak a 71 furatokra keresztben átnyúlóan elrendezve.

Egy további 70 húzórugó hasonló módon van az 52 szegmensek, valamint az 53 és 54 oldalsó keretlécek megfelelő 71 furataiban elrendezve. E két 70 húzórugó előfeszítettségük következtében összetartja az 50 keret elemeit, vagyis az 51, 52 szegmenseket, valamint az 53, 54 keretléceket, oly módon, hogy a keretelemek mindaddig egy síkban fekszenek, amíg azokat a 60 menetes orsókra nem rögzítjük. A húzórugók lehetővé teszik az 50 keret tágulását, melyre azért van szükség, hogy a keretelemeket 55-58 furataikkal, ezen furattávolságoknak megfelelően az 59 falra merőlegesen rögzített 60 menetes orsókra felfűzhessük.

Az oldalsó 53 keretléc közepén egy 73 kinyúló szakasz van kialakítva, amely a 30 gerjesztőátalakító befogadására szolgál. Amint a 9. és 10. ábra mutatja, a 30 geqesztőátalakító ugyanolyan felépítésű, mint a 3. ábra szerinti 30 gerjesztőátalakító, ezért alkotóelemei ugyanazon hivatkozási jelekkel vannak ellátva, mint a

3. ábrán. A 31 piezoelemekből összeállított csoport a 73 kinyúló szakasz egy 74 kisüllyesztett furatában, az 59 fal és a 32 nyomólapocska között van elrendezve. Egy 33 hernyócsavar útján, amely a 73 kinyúló szakasz egy menetes furatába van becsavarva és a 32 nyomólapocskát nyomja, beállíthatjuk azt az erőt, amellyel a 31 piezoelemekből összeállított csoportot az 59 falhoz szorítjuk. Amint a 10. ábrán látható, a 64 lábazat az 53 keretléc belső oldalán a 74 kisüllyesztett furat környezetében meg van szakítva.

A szembenfekvő 54 keretlécre egy 75 konzol van erősítve, amely túlnyúlik az 53 és 54 keretlécek közötti távolság középvonalán és a 40 vevőátalakító befogadására szolgál. A 75 konzol egy 76 fémtömbből és egy 77 közlapból áll. A 76 fémtömb 78 csavarokkal az oldalsó 54 keretléchez van rögzítve, oly módon, hogy a 76 fémtömb és az 54 keretléc közé van a 77 közlap elhelyezve. A 77 közlap egy olyan anyagból, például gumiból van kialakítva, mely csillapítja a vibrációk átvitelét az 54 keretléc és a 76 fémtömb között. Amint all. ábra mutatja, a 40 vevőátalakító ugyanolyan felépítésű, mint a 3. ábra szerinti 40 vevőátalakító, miért is alkotórészei ugyanazon hivatkozási jelekkel vannak ellátva, mint a 40 vevőátalakító esetében. A 41 piezoelem a 44 szilikonmasszával és a 42 nyomólapocskával együtt a 76 fémtömb egy 79 süllyesztett furatában van elrendezve. A 43 hemyócsavar, amely a 76 fémtömb egy menetes furatába van becsavarva, a 42 nyomólapocskára fejt ki erőhatást és a 41 piezoelemet beállítható nyomóerővel szorítja az 59alhoz. A 79 süllyesztett furat úgy van a 76 fémtömbben kialakítva, hogy a 40 vevőátalakító az 59 falon az 50 keret által határolt felület közepén helyezkedjék el.

Amint a 2. és 3. ábrán bemutatott kiviteli alak esetében, ugyanúgy a 6-11. ábrán szemléltetett megoldásnál az 50 keret által az 59 falból lehatárolt felület képezi a szintmagasságérzékelő membránját. A 6-11. ábra szerinti lehatárolt tartályfalfelület mint membrán ugyanazon az elven működik, mint a 2. és 3. ábra szerinti, és a folyamatok és azok hatásai is a 4. és 5. ábra szerinti diagramoknak megfelelően azonosak. A 30 gerjesztőátalakító által az 50 keret által határolt 24 membránfelületen létesített hajlítólengések és a 40 vevőátalakító kimenőjelének kiértékelése ezért ugyanazon a módon történik, amint ez a 2. és 3. ábrán bemutatott érzékelő esetében leírásra került.

A tartályfal egy szakaszának az érzékelő membránjaként való kialakítása - ahol is a membrán egy a tartályfallal lengőmechanikus kapcsolatban álló gyűrűvel vagy kerettel van körülhatárolva - valamennyi leírt kiviteli példa esetén azon alapszik, hogy a membránfelület hajlítólengéseinek átvitele a gyűrűn vagy kereten kívül fekvő tartályfal felületekre a gyűrű vagy a keret tömege miatt erősen legyengül.

Ezt szemléltetik a 12-14. ábrák, melyeken a különböző tömegű gyűrűkkel vagy keretekkel kapcsolatos számított eredmények grafikusan kerültek ábrázolásra. Ezek áz ábrák egy sík 80 tartályfal szakaszát szemléltetik, mely nyugalmi állapotban egy egyenes vonallal van ábrázolva, valamint egy 81 gyűrű vagy keretrész keresztmetszetét, amely a 80 tartályfalra úgy van felerősítve, hogy az a 80 tartályfallal lengőmechanikus kapcsolatban van. A 81 gyűrűtől vagy keretrésztől jobbra esik a 80 tartályfalból lehatárolt 82 membránfelület, melyen hajlítólengéseket hozunk létre. A hajlítólengések amplitúdója a szemléltetés érdekében az ábrákon erősen meg van növelve. A számításokhoz mindhárom ábra esetében ugyanazon d tartályfal-vastagságot, azaz 2,5 mm-t tételeztünk fel azonos A amplitúdó mellett, különböző keresztmetszetűnek tételeztük fel azonban a 81 gyűrűt vagy keretrészt.

A 12. ábra mutatja azokat az eredményeket, melyek egy olyan 81 gyűrű vagy keretrész esetén adódtak, ahol is

HU 210 399 Β a 81 gyűrű vagy keretrész szélessége b = 30 mm, magassága pedig h = 20 mm volt. Amint látható, a 82 membránfelület hajlítólengései meglehetősen csekély csillapítással vivődnek át a 82 membránfelületen kívül eső 83 tartályfalfelületre. Emellett a 81 gyűrű vagy keretrész, amint ezt a 12. ábra szaggatott vonallal szemlélteti, a lengőmechanikus kapcsolat következtében egy jelentős <p_zszögértéknek megfelelő megváltozott helyzetet vesz fel. Ez a szög természetesen a túlzott amplitúdó magasság miatt ugyancsak eltúlzottan került ábrázolásra.

A 13. ábra az esetre szemlélteti a viszonyokat, ahol is a 81 gyűrű vagy keretrész szélessége az előbbihez hasonlóan b = 30 mm, magassága azonban az előzőnek kétszerese, azaz h = 40 mm. A keresztmetszet tehát kétszer olyan nagy, mint a 12. ábrán bemutatott esetben volt, így a 81 gyűrű vagy keretrész tömege az előbbi példához képest annak kétszerese. A 81 gyűrű vagy keretrész a nagyobb tömege következtében csak egy viszonylag kis <p_z szöggel fordul el, miáltal a 82 membránfelület hajlítólengései jelentősen csillapítva vivődnek át a 82 membránfelületen kívül eső 83 tartályfalfelületre.

Végezetül a 14. ábra esetében a 81 gyűrű vagy keretrész szélességét változatlanul b = 30 mm-nek, magasságát azonban az alapeset háromszorosára növelve h = 60 mm-nek választottuk meg. Ennek megfelelően a 81 gyűrű vagy keretrész tömege a 12. ábra szerinti alapesethez képest háromszorosára növekedett. Ebben az esetben a 81 gyűrű vagy keretrész φ_ζ elfordulási szöge elhanyagolhatóan kicsi, és a 82 membránfelület hajlítólengései az erős csillapítás következtében a 83 tartályfalfelületre gyakorlatilag nem hatnak ki. A 81 gyűrű vagy keret tömegének további növelése lényegében nem hozna említésre méltó mértékben további kedvező változást.

A találmány természetesen nem korlátozódik az előzőekben leírt kiviteli példákra. Többek között lehetséges piezoelektromos átalakítók helyett tetszés szerint más elektromechanikus átalakítókat alkalmazni, melyek alkalmasak a körülhatárolt 24 illetve 82 membránfelületet egy rávezetett villamos feszültség révén mechanikus lengésekbe hozni, illetve a 24 illetve 82 membránfelület mechanikus lengéseit átalakítani illetve a 24 illetve 82 membránfelület mechanikus rezgéseit letapogatni és villamos jellé alakítani. E célra alkalmasak például elektromágneses vagy magnetostrikciós átalakítók. Az átalakítókat tetszés szerint rögzíthetjük, azonban ügyelni kell arra, hogy azok a 24 illetve 82 membránfelülettel egymásra kölcsönhatást fejtsenek ki.

A fémből készült 20 gyűrű vagy 50 keret ugyancsak más módon is, nemcsak 21, 60 menetes orsók és 22,61 anyák segítségével erősíthetők fel a 12, 59 tartályfalra, például hegesztéssel, ragasztással stb. Alapjában minden felerősítési mód megfelel, amely a 20 gyűrű vagy 50 keret és a 12, 59 fal között lengőmechanikus kapcsolatot biztosít. A 21, 60 menetesorsók segítségével történő felerősítés azt az előnyt rejti magában, hogy az egész érzékelő szükség esetén a tartályfalról könnyen leszerelhető.

A telítettségi szint előzőekben leírt érzékelése a 24 membránfelület saját rezonancia-frekvenciájának kiértékelése útján csak folyadékokkal töltött 10 tartályok esetén alkalmazható, minthogy a saját rezonancia-frekvencia észrevehető változása a 24 membránfelület fedettségétől függően lép fel.

A leírt érzékelő azonban, anélkül, hogy mechanikus felépítésén változtatnánk, alkalmazható a 10 tartályba töltött szilárd anyagok, mint például szemcsés vagy poralakú anyagok szintmagasságának ellenőrzésére is, mikor is a saját rezonancia-frekvencia helyett a 24 membránfelület lengési amplitúdójának csillapítottsága kerül kiértékelésre. Ez esetben azonban a 15, 17 gerjesztő- és kiértékelókapcsolás módosítására van szükség. Ez a módosítás az átlagszakember részére szakismeretei alapján kézenfekvő, minthogy más szintérzékelőknél, melyeket tetszés szerint folyékony vagy szilárd anyagok esetében alkalmaznak, ismeretesek a különböző, célnak megfelelő gerjesztő és kiértékelő kapcsolások. Például a kiértékelőkapcsolás oly módon változtatható, hogy a frekvencia vagy fázisdiszkriminátor helyett egy amplitúdódiszkriminátor kerül alkalmazásra, melynek kimenőjele jelzi, hogy a 40 vevóátalakító kimenőjelének amplitúdója a beállított amplitúdó-küszöbérték fölött vagy alatt van. Az amplitúdó-küszöbérték úgy lesz beállítva, hogy az fedett 24 membránfelület esetén nagyobb mint a kimenőjel amplitúdója, és kisebb a kimenőjel amplitúdójánál fedetlen 24 membránfelület esetén.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Készülék tartály előre meghatározott telítettségi szintjének megállapítására és/vagy ellenőrzésére, egy előre meghatározott telítettségi szint magasságában szerelt szintmagasságérzékelővel, amely egy membránnal rendelkezik, amely membrán a tartályba töltött anyaggal érintkezésbe kerül, ha a betöltött anyag az előre meghatározott szintet eléri vagy azt meghaladja, valamint egy elektromechanikus gerjesztőátalakítóval, amely feszültség alatt a membránt lengésbe hozza, egy elektromechanikus vevőátalakítóval, amely a membrán lengéseit váltófeszültséggé alakítja át, és egy kiértékelő-kapcsolással kijelző és/vagy kapcsolási folyamatok megindítására, függően a vevőátalakító által szolgáltatott váltófeszültség frekvenciájától, fázisától vagy amplitúdójától, azzal jellemezve, hogy a tartály (10) falának (12,59) egy szakasza membránfelületként (24) van kialakítva, amely a tartály (10) külső oldalán elrendezett, a tartály (10) falával (12, 59) lengőmechanikus kapcsolatban álló gyűrűvel (20) vagy kerettel (50) van határolva.
2. Az 1. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gyűrű (20) vagy keret (50) tömege nagyobb, mint a tartály falának (12) lehatárolt területe.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gyűrű (20) vagy keret (50) a falon (12, 59) rögzített menetes orsókra (21,60) van szerelve.
4. A 2. vagy 3. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a menetes orsók (21, 60) a tartály falára (12, 59) fel vannak hegesztve.

HU 210 399 Β
5. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gyűrű (20) vagy keret (50) a tartály falára (12,59) fel van hegesztve.
6. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gyűrű (20) vagy keret (50) a tartály falára (12,59) ragasztással van rögzítve.
7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gyűrű (20) vagy keret (50) szegmensekre (51, 52) van osztva.
8. A 7. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a szegmenseket (51, 52) egy húzórugó (70) tartja össze, amely a szegmensek furatain (71) keresztülhúzva végeivel keretlécekhez (53, 54) van rögzítve.
9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gerjesztőátalakító (30) a lehatárolt membránfelület (24) szélén, a vevőátalakító (40) pedig annak közepén van elrendezve.
10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a gerjesztőátalakító (30) piezoelemek (31) csoportjából van kialakítva, amely piezoelemcsoport a tartály fala (12) és a gyűrűvel (20) vagy kerettel (50) merev kapcsolatban álló támasztóelem közé van szorítva.
11. A 10. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a piezoelemcsoport és a támasztóelem között egy, a piezoelemcsoportot a tartály falához (12) szorító, a szorítóerő beállítására alkalmas szabályzó elem van elrendezve.
12. A 11. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a szabályzó elem egy, a támasztóelem menetes furatába csavart hernyócsavarként (33) van kiképezve.
13. A10-12. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a támasztóelem egy a gyűrű (20) átmérőjének megfelelően, vagy a kereten (50) átnyúlóan elrendezett merev hídként (25) van kialakítva.
14. A 10-12. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a támasztóelem egy a gyűrűn (20) vagy a kereten (50) elrendezett kinyúló szakaszként (73) van kialakítva.
15. A 14. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a kinyúló szakasz (73) egy kisüllyesztett furattal (74) rendelkezik, melyben a piezoelemcsoport van elrendezve.
16. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a vevőátalakító (40) legalább egy piezoelemből (41) van kialakítva, amely a tartály fala (12) és a gyűrűvel (20) vagy kerettel (50) merev kapcsolatban álló támasztó elem közé van szorítva.
17. A 16. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a piezoelem (41) és támasztóelem között egy elasztikus rugóelem van elrendezve.
18. A 17. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy az elasztikus rugóelem szilikonmasszából, előnyösen szilikonmasszahengerként (44) van kiképezve.
19. A 17. vagy 18. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a támasztóelem és az elasztikus rugóelem között egy, a piezoelemet (41) a tartály falához (12) szorító, a szorítóerő beállítására alkalmas szabályzó elem van elrendezve.
20. A 19. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a szabályzó elem egy, a támasztóelem menetes furatába csavart hernyócsavarként (43) van kialakítva.
21. A 16-20. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a támasztóelem a gyűrűn (20) vagy a kereten (50) keresztben átnyúló merev hídként (25) van kialakítva.
22. A 16-20. igénypontok bármelyike szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy támasztó elem egy a gyűrűn (20) vagy kereten (50) elrendezett konzolként (75) van kialakítva, mely a lehatárolt membránfelület (24) közepéig kinyúlóan van kiképezve.
23. A 22. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a konzol (75) egy fémtömbből (76) és a fémtömb (76) valamint a gyűrű (20) vagy keret (50) között elrendezett közlapból (77) állóan van kialakítva.
24. A 23. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a közlap (77) egy gumiból készült lapból van kiképezve.