WO2003002952A1 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums in einem behälter - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums in einem behälter Download PDF

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WO2003002952A1
WO2003002952A1 PCT/EP2002/006750 EP0206750W WO03002952A1 WO 2003002952 A1 WO2003002952 A1 WO 2003002952A1 EP 0206750 W EP0206750 W EP 0206750W WO 03002952 A1 WO03002952 A1 WO 03002952A1
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vibratable
control
vibrations
drive
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PCT/EP2002/006750
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Clemens Heilig
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Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring the fill level of a medium in a container.
  • the device has a rod-shaped structure which projects into a container in which the liquid medium is stored.
  • the rod-shaped structure is attached to one side of the membrane.
  • the system "membrane rod-shaped structure” is excited to natural vibrations by a piezoelectric transducer, which is arranged on the other side of the membrane. Based on the decay behavior of the vibrations, it is recognized whether the system vibrates freely or whether it is in contact with the liquid.
  • a disadvantage of the known solution can be seen in the fact that the use of a membrane, on which the oscillatable unit must be positioned in a very defined manner, increases the manufacturing costs for the vibration detector.
  • Another disadvantage is that the natural frequency of the known system "membrane - oscillatable unit" is very sensitive to narrow-band interference from the outside. Process-related interference frequencies, such as those generated by conveyor belts and vibrators, are preferably in the bulk material range, preferably in the low-frequency range, in which the natural frequency of the vibrating system is usually also located. Since the influence of temporarily or continuously occurring disturbance variables cannot be distinguished from the current measurement data signaling the fill level, there is a risk that incorrect measurement data will be used to determine / monitor the fill level. As a result, the known device is unable to provide reliable information about the fill level of a medium in a container.
  • the invention has for its object to provide an inexpensive device for reliable detection of the level of a medium in a container.
  • a device which comprises the following components: a housing to which at least one oscillatable unit is fastened; a drive / receiver unit which is attached directly to the oscillatable unit and excites it to oscillate in at least one of its eigenmodes at predetermined time intervals; a control / evaluation unit which recognizes on the basis of the detected vibrations or the temporal change in the detected vibrations of the vibratable unit that the predetermined fill level has been reached and / or which on the basis of the detected vibrations or the change in the detected vibrations at least one sensor and / or recognizes process-related disturbance.
  • the oscillatable unit is a rod or a tube.
  • This rod or tube is excited to self-oscillate in at least one of its modes via the drive / receiver unit.
  • the oscillatable unit can consist, for example, of a metal (e.g. steel) or of a hard plastic such as PPS or PEEK.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention provides a resilient element which is connected to the oscillatable unit in such a way that it is resiliently connected to the housing or to a fastening part. So it can be in the resilient element z. B. act as a membrane. This membrane serves to decouple the tube or rod vibrating in one of its own modes from the fastening part or the housing.
  • the fastening part itself is designed to be resilient. This is achieved, for example, by indentations which run radially and / or axially in the fastening part, so that the fastening part only has an outer shell which is as thin as possible.
  • the resilient attachment of the vibratable unit to the housing can be described as a spring-mass system, the resonance frequency of which is below the lowest natural frequency of the vibratable unit.
  • the resilient attachment thus fulfills the function of an acoustic low-pass filter, which serves to effectively decouple the oscillatable unit from the container.
  • a further possibility of decoupling the oscillating tube or the oscillating rod from the fastening part or the housing consists in inserting an intermediate piece made of a material whose acoustic Input impedance differs significantly from the input impedance of the material from which the vibratable unit is made.
  • the insert can be made of plastic.
  • the drive / receiver unit is at least one electromechanical converter.
  • a piezoelectric transducer is preferably used.
  • This at least one drive / receiver unit is attached to the oscillatable unit in such a way that it cannot come into direct contact with the medium.
  • the at least one drive / receiver unit is arranged inside the oscillatable tube.
  • the at least one drive / receiver unit is attached to the outer surface of the oscillatable unit.
  • the drive / receiver unit should be separated from the process or from the medium by a membrane or a closure piece.
  • the control / evaluation unit continuously excites the oscillatable unit to vibrate via a first electromechanical transducer; a second electromechanical transducer absorbs the vibrations; on the basis of the amplitude or the change in amplitude of the vibrations, the control Z evaluation unit detects when the predetermined fill level has been reached.
  • the control / evaluation unit recognizes when a predetermined fill level is reached.
  • the control / evaluation unit preferably excites the oscillatable unit to vibrate via the drive / receiver unit for a predetermined period of time; recognizes on the basis of the decay behavior, in particular on the basis of the decay time of the vibrations of the vibratable unit or the energy content of the decaying vibrations of the vibratable unit, or on the basis of the temporal change in the vibrational energy of the vibratable unit the control / evaluation unit as to whether the oscillatable unit oscillates freely or in contact with the filling material; Furthermore, the control / evaluation unit recognizes on the basis of the decay behavior or on the basis of the temporal change in the vibration energy whether at least one sensor and / or process-related disturbance variable occurs.
  • control / evaluation unit applies a periodic signal, a sweep signal or a noise signal to the drive / receiver unit.
  • the drive / receiver unit excites the oscillatable unit to oscillate in at least two mutually different modes.
  • sensor-related and / or process-related disturbance variables can be recognized, which may then be taken into account in the level determination or level monitoring.
  • higher-frequency and lower-frequency modes of such disturbance variables are damped to different extents is used to detect the formation of deposits or other disturbance variables.
  • the entire signal generation, signal processing and signal processing takes place in software using a microprocessor.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a second embodiment of the device according to the invention
  • 4 shows a longitudinal section through a third embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 5 a flow chart for evaluating the measurement data by the control ZAuswertisme.
  • the container can be, for example, a tank in which the medium is stored; Of course, it can also be a pipe through which a medium flows.
  • the vibration detector 1 has an essentially cylindrical housing 20 on which a fastening part 2 is provided.
  • the vibration detector 1 is positioned at a predetermined height of the container via the external thread 16 located on the fastening part 2.
  • the vibration detector 1 is preferably screwed into a corresponding opening in the container. It goes without saying that other types of attachment, e.g. by means of a flange that can replace screwing.
  • the oscillatable unit 3 is attached to an end face of the housing 20 or the fastening part 2 of the vibration detector 1.
  • the oscillatable unit 3 is either a tubular or rod-shaped structure.
  • the oscillatable unit 3 is resiliently mounted on the housing 20 or the fastening part 2 via a membrane 5, which is made of steel, for example.
  • a membrane 5 which is made of steel, for example.
  • the resonance frequency of the spring-mass system must be tuned well below the excitation frequencies of the oscillatable unit 3. Furthermore, the membrane 5 prevents the filling material from penetrating into the interior of the housing 20 of the vibration detector 1.
  • the oscillatable unit 3 is intermittently or continuously stimulated to self-oscillations in at least one mode by a drive / receiver unit 4.
  • the drive / receiver unit 4 is preferably an electromechanical transducer, in particular a piezoelectric transducer. Other types of transducers can of course also be used in connection with the device according to the invention.
  • the oscillatable unit 3 is preferably excited to natural vibrations in higher modes for the purpose of determining or monitoring a predetermined fill level.
  • Both a single mode with, for example, a sine signal and several modes, for example by means of a noise signal or a sine sweep, can be excited.
  • the stimulating signal is switched off at a defined point in time; the decay signal of the oscillatable unit 3 is then picked up using the same or a separate converter 4, 13, 14. This takes advantage of the fact that contact of the oscillatable unit 3 with the medium leads to increased friction losses, which is noticeable in a shortened decay time of the vibrations of the oscillatable unit 3.
  • the electrical transmit and receive signals are between the control ZAuswertisme 8 and the drive / receive unit 4; 13, 14 guided over connecting lines 6, 7.
  • the control / evaluation unit 8 is assigned a memory unit 11, in which measurement data are temporarily stored and setpoints are stored.
  • An evaluation algorithm makes it possible to identify process and or sensor-related disturbance variables that falsify the measurement data.
  • an embodiment of the device according to the invention provides that a build-up on the oscillatable unit 3 is recognized and that the measurement data is possibly corrected. Measurement data and error messages are visually and / or acoustically transmitted to the operating personnel via the output unit 10.
  • the vibration detector 1 shown in FIG. 1 is connected to a remotely located control or control center 11.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a first embodiment of the vibration detector 1 according to the invention.
  • the oscillatable unit 3 is designed as a rod 22, which is preferably made of steel or a hard plastic.
  • the rod 22 extends into a recess 18 of the fastening part 2 and is locked on the fastening part 2 via a membrane 55.
  • the drive / reception unit 4 designed as a piezoelectric transducer is arranged in the region of the rod 22 which extends into the recess 18 of the fastening part 2.
  • the rod 22 is excited by the piezoelectric transducer 4 to vibrate in at least one mode.
  • the response signals are picked up by the same piezoelectric transducer 4 and forwarded to the control / evaluation unit 8 via signal lines, which are not shown separately in FIG. 2.
  • the fastening part 2 is screwed via the external thread 16 into a corresponding opening in the container.
  • a spring-mass system from a heavy fastening part 2 and a membrane 5, preferably a metal membrane, which the Function of an acoustic low pass.
  • the higher-frequency components of interference frequencies which are caused, for example, in the bulk goods area by conveyor belts or vibrators, are filtered out.
  • the resonance frequency of the spring-mass system must be matched well below the excitation frequencies of the rod 22.
  • the membrane 5 also prevents contamination of the electromechanical transducer 5, since it seals the inside of the fastening part 2 from the environment.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of a second embodiment of the vibration detector 1 according to the invention.
  • This embodiment differs from that shown in FIG. 2 in two components: on the one hand, the oscillatable unit 3 is a tube 21; on the other hand, the fastening part 2, in addition to the spring-mass system, formed from heavy fastening part 2 and membrane 5, is designed to be resilient in itself.
  • notches 17 are provided in the fastening part 2. These notches 17 run in such a way that ultimately only a relatively thin outer shell remains on the fastening part 2.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of a third embodiment of the vibration detector 1 according to the invention.
  • the oscillatable unit 3 is a tube 21.
  • a first end region of the tube 21 projects into the recess 18, which is provided in the fastening part 2.
  • the tube 21 is locked in its first end region directly on the wall 19 of the fastening part 2.
  • the drive unit 13 and the receiving unit 14 are fastened to the inner wall of the tube 21.
  • the second end region of the tube 21 is closed off by a closure piece 15.
  • Decoupling from the container - if this is necessary - can be achieved, for example, by inserting an intermediate piece, which is not shown separately in FIG. 4.
  • the intermediate piece should consist of a material whose acoustic input impedance differs significantly from the input impedance of the material from which the tube 21 is made.
  • the intermediate piece will be made of plastic if the tube 21 is made of a metal.
  • the two aforementioned variants can also be used to decouple the oscillatable unit 3 from the container in connection with the embodiment shown in FIG. 4.
  • the control / evaluation unit 8 is able to recognize both the influence of the attachment on the oscillatable unit 3 and of external vibrations. External vibrations are in the area of level detection of solid goods such. B. caused by a conveyor belt on which the filling material is transported, or filling material that comes into brief contact with the vibration detector 1 when filling the container. If the influence of these process and / or sensor-related disturbance variables is known, the level measurement data can be corrected. Consequently, the solution according to the invention enables a highly precise and reliable determination of the filling level of a liquid or solid filling material which is stored in a container.
  • a particularly outstanding feature in connection with a development of the device according to the invention is that both the signal generation and the measurement, filtering and evaluation of the measurement data take place in a computer (microprocessor). Therefore, only a minimum of analog technology is necessary.
  • a computer microprocessor
  • FIG. 5 how the software used in the microprocessor works in detail can be seen in FIG. 5 for a preferred embodiment of the invention. It should be mentioned that the software solution can of course at least partially be replaced by a corresponding analog technology.
  • For the reproduction of the excitation signals for example 1000 digital values are determined in both frequency ranges. These are buffered at 31, 41.
  • the digital values are converted into analog values; these analog values are supplied to the drive receiving unit 4 at a predetermined sample rate (e.g. 100 kHz).
  • the response signals supplied by the drive receiving unit 4 are converted into digital values at 33, 43 with the same sample rate.
  • the signals that are in the frequency range f1 ... f2 are filtered out.
  • the signals which are in the excited frequency range f3 ... f4 are filtered out.
  • the signals which are in the non-excited frequency range f1 ... f2 are also filtered out.
  • the effective values of the signals filtered at 34, 44 are calculated at 45, 46. External vibrations are suspected if vibrations occur in the frequency range f1 ... f2 that has not been excited. Depending on the strength of the external vibrations, it is then decided at program point 47 whether the measurement data can be used for the level measurement at all.
  • a moving averaging is carried out under program items 36, 48 using a certain number of measured values (e.g. using 6 measured values) from the frequency ranges f1 ... f2, f3 ... f4 ,
  • the ratio is formed from the mean values. From the value determined at 50, it can be determined qualitatively and Z or quantitatively whether or how much batch has formed on the oscillatable unit 3. The determined value is used to correct the level measurement data (program point 51). On the basis of the corrected measured value, a decision is then made at program point 52 whether the predetermined fill level in the container has been reached or not.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine kostengünstige Vorrichtung zur verlässlichen Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter. Die Vorrichtung weist die folgenden Komponenten auf: ein Gehäuse (20), an dem zumindest eine schwingfähige Einheit (3) befestigt ist; eine Antriebs-/Empfangseinheit (4; 13, 14), die unmittelbar an der schwingfähigen Einheit (3) befestigt ist und sie in vorgegebenen Zeitintervallen zu Schwingungen in zumindest einer ihrer Eigenmoden anregt, und eine Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der detektierten Schwingungen bzw. der zeitlichen Änderung der detektierten Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt und/oder die anhand der detektierten Schwingungen bzw. der Änderung der detektierten Schwingungen.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter.
Aus der US-PS 4,540,981 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung des Füllstandes eines flüssigen Mediums bekannt geworden. Die Vorrichtung weist ein stabförmiges Gebilde auf, das in einen Behälter hineinragt, in dem das flüssige Medium gelagert ist. Das stabförmige Gebilde ist an einer Seite der Membran befestigt. Das System "Membranstabförmiges Gebilde" wird über einen piezoelektrischen Wandler, der auf der anderen Seite der Membran angeordnet ist, zu Eigenschwingungen angeregt. Anhand des Abklingverhaltens der Schwingungen wird erkannt, ob das System frei schwingt oder ob es in Kontakt mit der Flüssigkeit ist.
Ein Nachteil der bekannten Lösung ist darin zu sehen, daß die Verwendung einer Membran, an der die schwingfähige Einheit sehr definiert positioniert sein muß, die Fertigungskosten für den Vibrationsdetektor in die Höhe treibt. Nachteilig ist auch, daß die Eigenfrequenz des bekannten Systems "Membran - schwingfähige Einheit" sehr empfindlich auf schmalbandige Störungen von außen reagiert. So liegen im Schüttgutbereich prozeßbedingte Störfrequen-zen, wie sie etwa von Förderbändern und Rüttlern erzeugt werden, bevorzugt im niederfrequenten Bereich, in dem üblicherweise auch die Eigenfrequenz des schwingenden Systems angesiedelt ist. Da der Einfluß von temporär oder kontinuierlich auftretenden Störgrößen von den aktuellen, den Füllstand signalisierenden Meßdaten nicht unterscheidbar ist, besteht die Gefahr, daß fehlerhafte Meßdaten zur Füllstandsbestimmung/-überwachung verwendet werden. Folglich ist die bekannte Vorrichtung nicht in der Lage, verläßliche Information über den Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu liefern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zur verläßlichen Detektion des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter vorzuschlagen. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die folgenden Komponenten umfaßt: ein Gehäuse, an dem zumindest eine schwingfähige Einheit befestigt ist; eine Antriebs-/Empfangseinheit, die unmittelbar an der schwingfähigen Einheit befestigt ist und sie in vorgegebenen Zeitintervallen zu Schwingungen in zumindest einer ihrer Eigenmoden anregt; eine Regel-/ Auswerteeinheit, die anhand der detektierten Schwingungen bzw. der zeitlichen Änderung der detektierten Schwingungen der schwingfähigen Einheit das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt und/oder die anhand der detektierten Schwingungen bzw. der Änderung der detektierten Schwingungen zumindest eine sensor- und/oder prozeßbedingte Störgröße erkennt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit um einen Stab oder um ein Rohr. Dieser Stab bzw. dieses Rohr wird über die Antriebs-/Empfangseinheit zu Eigenschwingungen in zumindest einem seiner Moden angeregt. Die schwingfähige Einheit kann beispielsweise aus einem Metall (z. B. Stahl) oder aus einem harten Kunststoff wie PPS oder PEEK bestehen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht ein federndes Element vor, das derart mit der schwingfähigen Einheit verbunden ist, daß diese federnd mit dem Gehäuse oder mit einem Befestigungsteil verbunden ist. So kann es sich bei dem federnden Element z. B. um eine Membran handeln. Diese Membran dient der Entkopplung des in einem seiner Eigenmoden schwingenden Rohres oder Stabes von dem Befestigungsteil bzw. dem Gehäuse. Alternativ oder kumulativ ist vorgesehen, daß das Befestigungsteil selbst federnd ausgestaltet ist. Dies wird beispielsweise durch Einkerbungen erreicht, die radial und/oder axial in dem Befestigungsteil verlaufen, so daß das Befestigungsteil nur noch eine möglichst dünne Außenhülle aufweist. Physikalisch läßt sich die federnde Befestigung der schwingfähigen Einheit an dem Gehäuse als Feder- Masse-System beschreiben, dessen Resonanz-frequenz unterhalb der niedrigsten Eigenfrequenz der schwingfähigen Einheit liegt. Somit erfüllt die federnde Befestigung die Funktion eines akustischen Tiefpasses, der zur effektiven Entkopplung der schwingfähigen Einheit von dem Behälter dient.
Eine weitere Möglichkeit, das schwingende Rohr bzw. den schwingenden Stab von dem Befestigungsteil bzw. dem Gehäuse zu entkoppeln, besteht in dem Einsetzen eines Zwischenstückes aus einem Material, dessen akustische Eingangsimpedanz sich deutlich von der Eingangsimpedanz des Materials unterscheidet, aus dem die schwingfähige Einheit besteht. Ist beispielsweise das Rohr bzw. der Stab aus Metall gefertigt, so kann das Einsatzstück aus Kunststoff bestehen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß es sich bei der Antriebs-/Empfangseinheit um zumindest einen elektromechanischen Wandler handelt. Bevorzugt wird ein piezoelektrischer Wandler eingesetzt.
Diese zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit ist so an der schwingfähigen Einheit befestigt ist, daß sie nicht in direkten Kontakt mit dem Medium kommen kann. Hierzu ist die zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit im Innern des schwingfähigen Rohres angeordnet ist. Alternativ ist vorgesehen, daß die zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit an der Außenfläche der schwingfähigen Einheit befestigt ist. Auf jeden Fall sollte die Antriebs- /Empfangseinheit von dem Prozeß bzw. von dem Medium durch eine Membran oder ein Verschlußstück getrennt sein. Entsprechende Ausgestal-tungen sind in den Zeichnungen im Detail dargestellt.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung regt die Regel-/Auswerteeinheit die schwingfähige Einheit über einen ersten elektromechanischen Wandler kontinuierlich zu Schwingungen an; ein zweiter elektromechanischer Wandler nimmt die Schwingungen auf; anhand der Amplitude bzw. der Amplitudenänderung der Schwingungen erkennt die Regel- ZAuswerteeinheit das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes.
Alternativ ist vorgesehen, daß lediglich ein elektromechanischer Wandler als Antriebs-/Empfangseinheit verwendet wird; anhand der Eingangsimpedanz des gekoppelten Systems 'schwingfähige Einheit-elektromechanischer Wandler' erkennt die Regel-/Auswerteienheit das Erreichen eines vorgegebenen Füllstands.
Bevorzugt regt die Regel-/Auswerteeinheit die schwingfähige Einheit über die Antriebs-/Empfangseinheit für eine vorgegebene Zeitspanne zu Schwin-gungen an; anhand des Abklingverhaltens, insbesondere anhand der Abklingzeit der Schwingungen der schwingfähigen Einheit oder des Energiegehalts der abklingenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit, oder anhand der zeitlichen Änderung der Schwingungsenergie der schwingfähigen Einheit erkennt die Regel-/Auswerteeinheit, ob die schwingfähige Einheit frei oder in Kontakt mit dem Füllgut schwingt; weiterhin erkennt die Regel-/Auswerteeinheit anhand des Abklingverhaltens oder anhand der zeitlichen Änderung der Schwingungsenergie, ob zumindest eine sensor- und/oder prozeßbedingte Störgröße auftritt.
Darüber hinaus schlägt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfϊndungs-gemäßen Vorrichtung vor, daß die Regel-/Auswerteeinheit die Antriebs-/Empfangseinheit mit einem periodischen Signal, mit einem Sweep-Signal oder mit einem Rauschsignal beaufschlagt.
Besonders günstig ist es im Hinblick auf die Erkennung von Störgrößen, wenn die Antriebs-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit zu Schwingungen in zumindest zwei voneinander verschiedenen Moden anregt. Anhand des unterschiedlichen Schwingungsverhaltens in den zumindest zwei unterschiedlichen Moden lassen sich sensor- und/oder prozeßbedingte Störgröße erkennen, die dann ggf. bei der Füllstandsbestimmung bzw. Füllstandsüber-wachung berücksichtigt werden. Zur Erkennung der Ansatzbildung oder sonstiger Störgrößen wird der Umstand ausgenutzt, daß höherfrequente und tieferfrequente Moden von derartigen Störgrößen unterschiedlich stark bedämpft werden.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die gesamte Signalerzeugung, Signalaufbereitung und Signalverarbeitung softwaremäßig unter Verwendung eines Mikroprozessors.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 4: einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 5: ein Flußdiagramm zur Auswertung der Meßdaten durch die Regel- ZAuswerteeinheit.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vor-richtung 1 zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes eines flüssigen oder festen Mediums in einem Behälter - Behälter und Medium sind übrigens in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt. Bei dem Behälter kann es sich beispielsweise um einen Tank handeln, in dem das Medium gelagert ist; selbstverständlich kann es sich auch um ein Rohr handeln, das von einem Medium durchflössen wird.
Der erfindungsgemäße Vibrationsdetektor 1 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 20 auf, an dem ein Befestigungsteil 2 vorgesehen ist. Der Vibrationsdetektor 1 ist über das an dem Befestigungsteil 2 befindliche Außengewinde 16 in einer vorbestimmten Höhe des Behälters positioniert. Bevorzugt ist der Vibrationsdetektor 1 in eine entsprechende Öffnung des Behälters eingeschraubt. Es versteht sich von selbst, daß andere Arten der Befestigung, z.B. mittels eines Flansches, das Verschrauben ersetzen können.
An einer Stirnseite des Gehäuses 20 bzw. des Befestigungsteils 2 des Vibrationsdetektor 1 ist die schwingfähige Einheit 3 angebracht. Bei der schwingfähigen Einheit 3 handelt es sich entweder um ein röhr- oder stabförmiges Gebilde. Im gezeigten Fall ist die schwingfähige Einheit 3 über eine Membran 5, die z.B. aus Stahl gefertigt ist, federnd an dem Gehäuse 20 bzw. dem Befestigungsteil 2 gelagert. Hierdurch wird eine gute schwingungs-technische Entkopplung des Befestigungsteile 2 bzw. des Gehäuses 20 von dem schwingenden Rohr 21 bzw. dem schwingenden Stab 22 erreicht. Das Feder- Masse-System aus dem relativ schweren Befestigungsteil 2 und der Membran 5 wirkt als akustischer Tiefpaß. Um eine wirkungsvolle Entkopplung zu erreichen, muß die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems deutlich unterhalb der Anregungsfrequenzen der schwingfähigen Einheit 3 abgestimmt sein. Weiterhin verhindert die Membran 5, daß Füllgut in das Innere des Gehäuses 20 des Vibrationsdetektors 1 eindringt. Die schwingfähige Einheit 3 wird von einer Antriebs-/Empfangseinheit 4 intermittierend oder kontinuierlich zu Eigenschwingungen in zumindest einer Mode angeregt. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit 4 handelt es sich bevorzugt um einen elektromechanischen Wandler, insbesondere um einen piezoelektrischen Wandler. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können selbstverständlich auch andere Wandlertypen eingesetzt werden. Wie bereits gesagt, wird die schwingfähige Einheit 3 zwecks Bestimmung bzw. Überwachung eines vorbestimmten Füllstands bevorzugt zu Eigen-schwingungen in höheren Moden angeregt. Es kann sowohl eine einzelne Mode mit z.B. einem Sinussignal als auch mehrere Moden, z.B. mittels eines Rauschsignals oder eines Sinus-Sweeps angeregt werden. Zu einem definierten Zeitpunkt wird das anregende Signal abgeschaltet; anschließend wird das Nachklingsignal der schwingfähigen Einheit 3 mit demselben oder einem separaten Wandler 4, 13, 14 abgenommen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein Kontakt der schwingfähigen Einheit 3 mit dem Medium zu erhöhten Reibungsverlusten führt, was sich in einer verkürzten Abklingzeit der Schwingungen der schwingfähigen Einheit 3 bemerkbar macht.
Die elektrischen Sende- und Empfangssignale werden zwischen der Regel- ZAuswerteeinheit 8 und der Antriebs-/Empfangseinheit 4; 13, 14 über Verbindungsleitungen 6, 7 geführt. Der Regel-/Auswerteeinheit 8 ist eine Speichereinheit 11 zugeordnet, in der Meßdaten u.a. zwischengespeichert werden und Sollwerte abgespeichert sind. Ein Auswerte-Algorithmus ermöglicht es, prozeß- und oder sensorbedingte Störgrößen, die die Meß-daten verfälschen, zu erkennen. Beispielsweise sieht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß eine Ansatzbildung an der schwingfähigen Einheit 3 erkannt wird und daß ggf. korrigierend auf die Meßdaten Einfluß genommen wird. Meßdaten und Fehlermeldungen werden dem Bedienpersonal über die Ausgabeeinheit 10 optisch und/oder akustisch übermittelt. Weiterhin ist der in Fig. 1 gezeigte Vibrationsdetektor 1 mit einer entfernt angeordnete Kontroll- oder Leitstelle 11 verbunden. Die Regel-/ Auswerteeinheit 8 und die Kontrollstelle 11 kommunizieren miteinander über die Datenleitung 12. Bevorzugt erfolgt die Kommunikation auf digitaler Basis unter Verwendung eines der bekannten Kommunikationsprotokolle. Der Vorteil dieser Art der Datenübertragung liegt in der erhöhten Störsicherheit. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationsdetektors 1. Die schwingfähige Einheit 3 ist im gezeigten Fall als Stab 22 ausgebildet, der bevorzugt aus Stahl oder einem harten Kunststoff gefertigt ist. Der Stab 22 reicht in eine Ausnehmung 18 des Befestigungsteils 2 und ist über eine Membran 55 an dem Befestigungsteil 2 arretiert. Die als piezoelektrischer Wandler ausgebildete Antriebs-/Empfangs- einheit 4 ist in dem Bereich des Stabes 22 angeordnet, der sich in die Ausnehmung 18 des Befestigungsteils 2 hineinerstreckt.
Der Stab 22 wird über den piezoelektrischen Wandler 4 zu Eigenschwin-gungen in zumindest einer Mode angeregt. Die Antwortsignale werden von demselben piezoelektrischen Wandler 4 aufgenommen und über Signal-Ieitungen, die in der Fig. 2 nicht gesondert dargestellt sind, zu der Regel-/Auswerte-einheit 8 weitergeleitet.
Das Befestigungsteil 2 ist über das Außengewinde 16 in eine entsprechende Öffnung in dem Behälter geschraubt. Um eine möglichst gute schwingungstechnische Entkopplung zwischen dem Befestigungsteil 2 bzw. dem Behälter und dem schwingenden Stab 22 zu erreichen, ist es sinnvoll, ein Feder-Masse-System aus einem schweren Befestigungsteil 2 und einer Membran 5, bevorzugt einer Metallmembran, aufzubauen, welches die Funktion eines akustischen Tiefpasses übernimmt. Hierdurch werden die höherfrequenten Anteile von Störfrequenzen, die beispielsweise im Schüttgutbereich durch Förderbänder oder Rüttler hervorgerufen werden, herausgefiltert. Um eine wirkungsvolle Entkopplung vom Behälter zu erreichen, muß die Resonanz-frequenz des Feder-Masse-Systems deutlich unterhalb der Anregungs-frequenzen des Stabes 22 abgestimmt sein. Die Membran 5 verhindert darüber hinaus auch eine Verschmutzung des elektromechanischen Wandlers 5, da Sie das Innere des Befestigungsteils 2 gegenüber der Umgebung abdichtet.
In Fig. 3 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationsdetektors 1 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten in zwei Komponenten: zum einen handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit 3 um ein Rohr 21 ; zum anderen ist das Befestigungsteil 2 zusätzlich zu dem Feder-Masse-System, gebildet aus schwerem Befestigungsteil 2 und Membran 5, in sich federnd ausgestaltet. Hierzu sind in dem Befestigungsteil 2 Einkerbungen 17 vorgesehen. Diese Einkerbungen 17 verlaufen derart, daß letztlich nur noch eine relativ dünne Außenhülle an dem Befestigungsteil 2 übrig bleibt.
In Fig. 4 ist ein Längsschnitt einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationsdetektors 1 zu sehen. Wie in Fig. 3 handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit 3 um ein Rohr 21. Ein erster Endbereich des Rohres 21 ragt in die Ausnehmung 18, die in dem Befestigungsteils 2 vorgesehen ist. Das Rohr 21 ist in seinem ersten Endbereich direkt an der Wand 19 des Befestigungsteils 2 arretiert.
An der Innenwand des Rohres 21 sind die Antriebseinheit 13 und die Empfangseinheit 14 festgemacht. Um zu verhindern, daß sich Füllgut im Innern des Rohres 21 ablagern kann, ist der zweite Endbereich des Rohres 21 durch ein Verschlußstück 15 abgeschlossen.
Eine Entkopplung von dem Behälter kann - falls dies erforderlich ist - beispielsweise durch das Einsetzen eines in der Fig. 4 nicht gesondert dargestellten Zwischenstücks erreicht werden. Das Zwischenstück sollte aus einem Material bestehen, dessen akustische Eingangsimpedanz sich deutlich von der Eingangsimpedanz des Materials unterscheidet, aus dem das Rohr 21 gefertigt ist. In der Regel wird das Zwischenstück aus Kunststoff gefertigt sein, wenn das Rohr 21 aus einem Metall besteht. Selbstverständlich können auch die beiden zuvorgenannten Varianten zum Entkoppeln der schwing-fähigen Einheit 3 von dem Behälter in Verbindung mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform eingesetzt werden.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zur Auswertung der Meßdaten durch die Regel- ZAuswerteeinheit 8. Im gezeigten Beispiel ist die Regel-/Auswerteeinheit 8 in der Lage, sowohl den Einfluß von Ansatz an der schwingfähigen Einheit 3 als auch von Fremdvibrationen zu erkennen. Fremdvibrationen werden im Bereich der Füllstandsdetektion von festen Füllgütern z. B. von einem Förder-band verursacht, auf dem das Füllgut transportiert wird, oder von Füllgut, das beim Befüllen des Behälters mit dem Vibrationsdetektor 1 kurzzeitig in Kontakt kommt. Ist der Einfluß dieser prozeß- und/oder sensorbedingten Störgrößen bekannt, lassen sich die Füllstandsmeßdaten korrigieren. Folglich ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine hochgenaue und verläßliche Bestimmung des Füllstandes eines flüssigen oder festen Füllguts, das in einem Behälter gelagert ist. Als besonders herausragendes Merkmal wird im Zusammenhang mit einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen, daß sowohl die Signalerzeugung als auch die Messung, die Filterung und die Bewertung der Meßdaten in einem Rechner (Mikroprozessor) erfolgen. Daher ist nur noch ein Minimum an Analogtechnik notwendig. Wie die Software, die in dem Mikroprozessor verwendet wird, im Detail arbeitet, ist für eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung -wie bereits gesagt - aus Fig. 5 ersichtlich. Zu erwähnen bleibt, daß die Software-Lösung natürlich zumindest teilweise durch eine entsprechende Analogtechnik ersetzt werden kann.
Die Kombination von oberem und unterem Teil des in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramms dient der Detektion von Ansatz; im unteren Teil wird zusätzlich noch die Möglichkeit beschrieben, wie Fremdvibrationen erkannt werden können. Wie bereits erwähnt, wird z. B. zur Erkennung einer Ansatzbildung an der schwingfähigen Einheit 3 der Umstand ausgenutzt, daß höherfrequente und tieferfrequente Moden im Falle einer Ansatzbildung unterschiedlich stark bedämpft werden. So gibt es Moden, deren Schwingverhalten von Ansatzbildung stark beeinflußt wird, während sich bei anderen Moden keine oder nur eine geringe Abhängigkeit von der Ansatzbildung bzw. der Masse-änderung im Schwingverhalten bemerkbar macht.
Unter den Programmpunkten 30, 40 werden z. B. jeweils Anregungssignale in Form eines Sinus-Sweeps in den Frequenzbereichen f1 ...f2, f3... f4 berechnet. Beide Frequenzbereiche sind so gewählt, daß die schwingfähige Einheit 3 zu Schwingungen in unterschiedlichen Moden angeregt wird. Für die Wiedergabe der Anregungssignale werden in beiden Frequenzbereichen beispielsweise 1000 digitale Werte bestimmt. Diese werden bei 31 , 41 zwischengespeichert. Unter Punkt 32 werden die digitalen Werte in Analog-werte umgewandelt; diese Analogwerte werden mit einer vorgegebenen Samplerate (z. B. 100 kHz) der Antriebs-ZEmpfangseinheit 4 zugeleitet. Die von der Antriebs-ZEmpfangs-einheit 4 gelieferten Antwortsignale werden mit derselben Samplerate bei 33, 43 in digitale Werte umgesetzt. Unter Punkt 34 werden die Signale, die im Frequenzbereich f1...f2 liegen herausgefiltert. Bei dem Programmpunkt 34, 44 werden die Signale, die im angeregten Frequenz-bereich f3... f4 liegen, herausgefiltert. Zusätzlich werden bei 44 auch die Signale, die im nicht angeregten Frequenzbereich f1... f2 liegen, herausgefiltert. Anhand der unter dem Programmpunkt 44 gewonnenen Werte aus den beiden Frequenzbereichen f1... f2, f3.... f4 wird ermittelt, ob Fremdvibrationen die Füllstandsmeßdaten verfälschen. Hierzu werden bei 45, 46 die Effektivwerte der bei 34, 44 gefilterten Signale berechnet. Fremdvibrationen werden dann vermutet, wenn Schwingungen in dem Frequenzbereich f1... f2 auftreten, der nicht angeregt worden ist. Je nach Stärke der Fremdvibrationen wird bei Programmpunkt 47 dann entschieden, ob die Meßdaten für die Füllstandsmessung überhaupt verwendet werden können.
Zur Ansatzdetektion und Verhinderung von Fehlschaltungen aufgrund kurzzeitiger Bedeckung wird unter den Programmpunkten 36, 48 eine gleitende Mittelwertbildung anhand einer bestimmten Anzahl von Meßwerten (z. B. anhand von 6 Meßwerten) aus den Frequenzbereichen f1... f2, f3... f4 durchgeführt. Bei 50 wird aus den Mittelwerten das Verhältnis gebildet. Aus dem bei 50 ermittelten Wert läßt sich qualitativ undZoder quantitativ ermitteln, ob bzw. wieviel Ansatz sich an der schwingfähigen Einheit 3 gebildet hat. Der ermittelte Wert dient zur Korrektur der Füllstandsmeßdaten (Programmpunkt 51). Anhand des korrigierten Meßwertes wird dann bei Programmpunkt 52 entschieden, ob der vorbestimmte Füllstand in dem Behälter erreicht ist oder nicht.
Bezugszeichenliste
1 Vibrationsdetektor
2 Befestigungsteil
3 Schwingfähige Einheit
4 Antriebs-ZEmpfangseinheit
5 Membran
6 Verbindungsleitung
7 Verbindungsleitung
8 Regel-ZAuswerteeinheit
9 Speichereinheit 10Anzeigeeinheit 11 Kontrollstelle 12Kommunikationsverbindung 13Antriebseinheit
14 Empfangseinheit
15Verschlußstück
16Außengewinde
17Einkerbung
18Ausnehmung
19Rohrwand
20Gehäuse
21 Rohr
22 Stab

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung undZoder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem Gehäuse (20), an dem zumindest eine schwingfähige Einheit (3) befestigt ist, mit einer Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14), die unmittelbar an der schwingfähigen Einheit (3) befestigt ist und sie in vorgegebenen Zeitinter-vallen oder kontinuierlich zu Schwingungen in zumindest einer ihrer Eigenmoden anregt, und mit einer Regel-Z Auswerteeinheit (8), die anhand der detektierten Schwingungen bzw. der zeitlichen Änderung der detektierten Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt undZoder die anhand der detektierten Schwingungen bzw. der Änderung der detektierten Schwingungen zumindest eine sensor- undZoder prozeßbedingte Störgröße erkennt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei es sich bei der schwingfähigen Einheit (3) um einen Stab (22) oder um ein Rohr (21) handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein federndes Element (5; 2) vorgesehen ist, das derart mit der schwingfähigen Einheit (3) verbunden ist, daß dieses federnd an dem Gehäuse (20) oder an einem Befestigungsteil (2) befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem federnden Element um eine Membran (5) handelt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Befestigungsteil (2) federnd ausgestaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei es sich bei dem Antriebs-ZEmpfangseinheit (4) um zumindest einen elektromechanischen Wandler handelt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zumindest eine Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14) so an der schwingfähigen Einheit (3) befestigt ist, daß sie nicht in direkten Kontakt mit dem Medium kommt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, 6 oder 7, wobei die zumindest eine Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14) im Innern der schwingfähigen Einheit (3) bzw. des schwingfähigen Rohres (21) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, 6 oder 7, wobei die zumindest eine Antriebs-ZEmpfangseinheit an der Außenfläche der schwingfähigen Einheit (3) derart befestigt ist, daß es vom Prozeß bzw. vom Medium durch die Membran (5) oder ein Verschlußstück (15) getrennt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, wobei die Regel-ZAuswerteeinheit die schwingfähige Einheit über einen ersten elektromechanischen oder piezoelektrischen Wandler kontinuierlich zu Schwingungen anregt, wobei ein zweiter elektromechanischer oder piezoelektrischer Wandler die Schwingungen empfängt und wobei die Regel-ZAuswerteeinheit anhand der Amplitude bzw. der Amplitudenänderung der Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes erkennt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, wobei ein elektromechanischer Wandler als Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14) verwendet wird und wobei die Regel-ZAuswerteienheit (8) anhand der Eingangsimpedanz des gekoppelten Systems 'schwingfähige Einheit (4) - elektromechanischer Wandler' das Erreichen des vorgegebenen Füllstands erkennt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (8) die schwingfähige Einheit (4) über die Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14) für eine vorgegebene Zeitspanne zu Schwingungen angeregt, wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (8) das Abklingverhalten der Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) oder die zeitliche Änderung der Schwingungsenergie der schwingfähigen Einheit (3) bestimmt wird, und wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (8) anhand des Abklingverhaltens, insbesondere der Abklingzeit der Schwingungen oder des Energiegehalts der abklingenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3), oder der zeitlichen Änderung der Schwingungsenergie der schwingfähigen Einheit (3) erkennt, ob die schwingfähige Einheit (3) frei schwingt oder in Kontakt mit dem Füllgut ist, undZoder wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (8) anhand des Abklingverhaltens oder der zeitlichen Änderung der Schwingungsenergie erkennt, ob zumindest eine sensor- undZoder prozeßbedingte Störgröße auftritt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 8, 9, 10 oder 11 , wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (8) die Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14) mit einem periodischen Signal, mit einem Sweep-Signal oder mit einem Rauschsignal beaufschlagt.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebs-ZEmpfangseinheit (4; 13, 14) die schwingfähige Einheit (3) zu Schwingungen in zwei voneinander verschiedenen Moden anregt und wobei die Regel-ZAuswerteeinheit anhand der Schwingungsverhalten der beiden Moden eine sensor- undZoder prozeßbedingte Störgröße erkennt und ggf. bei der Füllstandsbestimmung berücksichtigt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 13, wobei es sich bei der Regel-ZAuswerteeinheit um einen Mikroprozessor handelt, über den die Signalerzeugung, die Messung, die Filterung undZoder die Auswertung der Meß-ZEmpfangssignale erfolgt.
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