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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße eines
Mediums in einem Behälter,
mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und mit mindestens
einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit
zu Schwingungen anregt und welche die Schwingungen der mechanisch
schwingfähigen
Einheit detektiert, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit
aus mindestens einem Langstab und zwei Kurzstäben besteht. Bei der Prozessgröße handelt
es sich beispielsweise um den Füllstand,
die Dichte oder die Viskosität
eines Mediums – beispielsweise
eines Schüttguts
oder einer Flüssigkeit – in einem
entsprechenden Behälter.
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Im
Stand der Technik sind Messgeräte
beispielsweise für
die Messung des Füllstands
bekannt, bei welchen eine mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen
Schwingungen angeregt wird. Die Kenngrößen der Schwingungen – Amplitude,
Frequenz und Phase – hängen dabei
davon ab, ob die schwingfähige
Einheit frei schwingt oder ob sie in Kontakt mit dem Medium steht.
Weiterhin sind die Kenngrößen der
Schwingungen auch von solchen Eigenschaften des Mediums wie Viskosität oder Dichte abhängig. Dabei
ist bei der Messung oder Überwachung
von Dichte und Viskosität
vorauszusetzen, dass die mechanisch schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt
ist.
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Als
mechanisch schwingfähige
Einheit sind beispielsweise sog. Schwinggabeln oder Einstäbe bekannt.
Der Unterschied besteht in der Anzahl der mit dem Medium in Kontakt
kommenden Schwingeinheiten: Bei der Schwinggabel handelt es sich
um zwei Gabelzinken, die in den meisten Fällen über eine Membran miteinander
gekoppelt sind. Beim Einstab handelt es sich üblicherweise um einen einzelnen
Stab oder eine einzelne Röhre,
in welcher sich zumindest ein innerer Schwinger befindet. Es besteht auch
die Möglichkeit,
dass mit dem Stab zwei Schwinger verbunden sind.
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Eine
besondere Ausgestaltung eines Schwingstabs ist in der Patentanmeldung
WO 2005 008190 A1 beschrieben.
Dort handelt es sich um einen Langstab, an welchem zwei Kurzstäbe angebracht
sind. In einem Kurzstab ist die Antriebs-/Empfangseinheit integriert.
Dieser Kurzstab dient somit als Schwingungsantrieb für den gesamten
Einstab. Der zweite Kurzstab schwingt gegenphasig zum ersten Kurzstab
und kompensiert somit dessen Bewegungen und Kräfte. Beide Kurzstäbe befinden
sich dabei in Ruhelage auf der gleichen Achse.
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Der
Patentschrift
DE 37
34 077 C2 lässt
sich ein Einstab mit einem einzigen Kurzstab entnehmen.
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Der
Einstab für
Feststoffe bietet gegenüber herkömmlichen
Zweistäben
oder Schwingstäben
den Vorteil, dass es nicht zu einem Einklemmen eines grobkörniger Feststoff
zwischen den beiden Gabelzinken und einer damit einhergehenden Funktionsbeeinträchtigung
des Messgerätes
kommen kann. Dagegen ist beim Einstab aus energetischen Gründen die
Funktionsfähigkeit
beeinträchtigt,
wenn sich am dem Prozess bzw. dem Medium zugewandten Stabende des
schwingenden Rohrs Ansatz bildet. Bei Ansatz handelt es sich um
Medium oder aus dem Medium oder dem Prozess entstehenden Staub,
der sich an der im Behälter
befindlichen mechanisch schwingfähigen
Einheit absetzt. In der Praxis ist häufig zu beobachten, dass bei
horizontalem Einbau des Sensors, d.h. bei einem im Wesentlichen
parallel zum Behälterboden
eingebauten Einstab der Feststoff lose auf dem Sensorrohr liegen
bleibt. Solange der Stab noch schwingt und eine gewisse Schwingungsamplitude
oberhalb einer vorgegebenen Schaltschwelle aufweist, bleibt das
System in Funktion. Häufig
gibt es aber die Situation, dass die Schwingungsamplitude unterhalb
der Schaltschwelle liegt und somit das Gerät für messtechnische Zwecke nicht
mehr verwendbar ist. Der Grund ist darin zu sehen, dass die sich
vorwiegend auf dem Rohrende befindliche Ansatzmenge während des
Betriebs nicht oder nur teilweise ablöst und somit der Einstab verstimmt
wird. Wenn es die Anlagensituation zulässt, werden in der Praxis Ansatzprobleme
dieser Art in der Weise umgangen, dass man den Einstab senkrecht,
d.h. im Behälterboden
oder in der Decke des Behälters
einbaut. Ein solcher Einbau ist jedoch nicht immer möglich und
in den meisten Fällen
aufwendiger zu realisieren als beispielsweise ein seitlicher Einbau
in den Behälter.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Einstab vorzuschlagen,
der weitestgehend frei von einer Funktionsbeeinträchtigung
durch Ansatz ist.
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Die
Aufgabe löst
die Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens
einer Prozessgröße eines
Mediums in einem Behälter
mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die Erfindung besteht somit
in der besonderen Formgebung des Einstabs. Die Ausgestaltung des Einspannbereichs
bezieht sich insbesondere auf dessen Position am oder im Langstab.
Die Krümmung
des Langstabs mit einem Krümmungswinkel führt dazu,
dass die beiden Kurzstäbe
zumindest in ihrer Ruhelage einen von 0° abweichenden Winkel miteinander
bilden. Der Langstab besteht somit quasi aus zwei Abschnitten, die
gemeinsam die Krümmung mit
einem Krümmungswinkel
bilden. Die „Ecke" der Krümmung ist
vorzugsweise glatt und ein gleichmäßiger Übergang, so dass keine Belastungen,
innere Spannungen oder sonstigen Materialbeeinträchtigungen in diesem Bereich
auftreten. Die Kompensationsmasse führt in einer Ausgestaltung
vorzugsweise mechanische Schwingungen im Wesentlichen in axialer
Richtung aus. Durch die Kompensationsmasse werden somit axiale Kräfte und
Momente derartig kompensiert oder vermindert, dass im Wesentlichen keine
axialen Kräfte
auf den Prozessanschluss wirken. Die Bewegungsrichtung der Schwingungen
der Kompensationsmasse bezieht sich dabei auf die Achse, die der äußere Langstab
bzw. der Einstab ohne Krümmung
bildet, also im Wesentlichen die Normale auf die Prozessanschlussebene.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Krümmung des Langstabs in Abhängigkeit
von der Position des Prozessanschlusses innerhalb des Behälters derartig
ausgestaltet ist, dass die Fläche
des Langstabs, auf welchem Medium als Ansatz anhaftet, möglichst
minimal ist. Je nach der Position des Einstabs im Behälter kann
ein unterschiedlicher Krümmungswinkel
vorteilhaft sein. Handelt es sich um einen horizontalen, also seitlich
an der Behälterwandung
angebrachten Sensor, so ist eine Krümmung bzw. ein Krümmungswinkel
von 90° gegenüber der Längsachse
des geraden Langstabs vorteilhaft. Die in Bezug auf die Anhäufung von
Ansatz wirksame Fläche
sollte also möglichst
klein sein. Ziel der Wahl des Krümmungswinkels
ist jedoch in Verbindung mit der Einbauposition stets, dass die
Fläche,
an der sich Ansatz bilden kann, minimal ist. Optimal ist also ein Abgleich
von Einbaulage und Krümmungswinkel
derartig aufeinander, dass sich quasi die gleiche Position des ersten
bzw. dem Medium zugewandten Kurzstab wie bei einem senkrechten Einbau
ergibt, d.h. vorzugsweise ergeben die Einbauwinkel und der Krümmungswinkel
90° zusammen.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Krümmung des Langstabs im Wesentlichen
zwischen 45° und
90° liegt.
Die Krümmung
ist in einer Ausgestaltung im Wesentlichen größer als 45°. Jede Abweichung vom „geraden" Einstab verringert
den Bereich, an welchem sich Ansatz bilden kann. Bei horizontalem
Einbau ist ein Winkel von ca. 90° vorteilhaft.
Es gibt auch Einbausituationen, bei denen der Sensor bereits um
45° gegenüber der
horizontalen eingebaut ist. In diesem Fall würde eine 45°-Biegung des Einstabs ausreichen,
um einen senkrechten Einbau des zweiten Langstabs zu erreichen.
Somit ist also allgemein eine Krümmung
vorteilhaft, welche zusammen mit der Einbauposition zu einer senkrechten
Position des ersten, also dem Prozess bzw. dem Medium zugewandten
Kurzstabs führt.
Für jeden
Krümmungswinkel
ist die Kompensationsmasse entsprechend zu bestimmen. Die Angabe
des Krümmungswinkels
bezieht sich dabei auf die Achse, längs welcher die axialen Schwingungen
liegen.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Krümmung des Langstabs im Wesentlichen
90° beträgt. Eine
solche 90°– Krümmung führt dazu,
dass der Stab quasi aus einem – bezogen
auf das System des Behälters – horizontalen
und einem senkrechten Abschnitt besteht, wobei sich in jedem der
Abschnitte ein Kurzstab befindet. Ein Kurzstab dient zur Schwingungsanregung
und der andere kompensiert die Bewegungen. Der 90°-Winkel erlaubt
es somit, den Einstab seitlich in den Behälter einzubauen und gleichzeitig
eine verminderte Ansatzfläche
zu schaffen, wie sie sich bei einem senkrechten Einbau einstellen würde. Durch
die Krümmung
wird also aus einem seitlichen Einbau der Effekt eines senkrechten
Einbaus erzielt. Bei horizontaler Einbaulage ist die ansatzempfindliche
Stelle des Stabendes quasi senkrecht orientiert, so dass sich weniger
Ansatz auf dem Stabende festsetzen kann. Die Krümmung des Einstabs macht es
jedoch erforderlich, dass am Prozessanschluss auftretenden Kräfte und
Momente optimal kompensiert werden, so dass keine Schwingungsenergie
verloren geht und so dass auch der Prozess an sich nicht durch die
Messungen gestört wird.
Die Vermeidung des Verlust von Schwingungsenergie erhöht die Messgenauigkeit
und reduziert gleichzeitig den Energiebedarf für die Aufrechterhaltung der
Schwingungen. Insbesondere müssen
die axialen und radialen Kräfte
ausgeglichen werden. Bei den radialen Kräften handelt es sich um Kräfte, die
in der Ebene des Prozessanschlusses wirken. Da der Einstab üblicherweise
zu transversalen oder Biegeschwingungen angeregt wird, handelt es
sich bei den radialen Kräften
somit auch um Kräfte
in der Schwingungsrichtung des Einstabs. Die axialen Kräfte stehen
senkrecht darauf und wirken somit in Richtung der Längsachse
des „geraden" Einstabs. Für eine optimale
Kompensation dieser Kräfte,
d.h. für
einen kräftefreien
Prozessanschluss ist eine optimale Abstimmung des Einstabs erforderlich.
Für die
axialen Kräfte
ist daher eine Kompensationsmasse vorgesehen, welche die Kräfte kompensiert,
die sich aus dem Winkel zwischen den Bewegungsrichtungen der beiden
Kurzstäbe
ergeben.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Zusatzmasse vorgesehen
ist, welche im Verbindungsbereich zwischen einem Kurzstab und dem
Langstab befindlich ist, und dass zumindest die Zusatzmasse und/oder
die beiden Kurzstäbe und/oder
der Langstab und/oder der Einspannbereich derartig ausgestaltet
und aufeinander abgestimmt sind, dass der Prozessanschluss im Wesentlichen
frei von aufgrund der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit
auftretenden radialen Kräften
ist.
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Eine
damit verbundene Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens zwei
Zusatzmassen vorgesehen sind, welche jeweils im Verbindungsbereich zwischen
den Kurzstäben
und dem Langstab befindlich sind, und dass zumindest die beiden
Zusatzmassen und/oder die beiden Kurzstäbe und/oder der Langstab und/oder
der Einspannbereich derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt
sind, dass der Prozessanschluss im Wesentlichen frei von aufgrund
der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit
auftretenden radialen Kräften
ist.
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Bei
den beiden vorhergehenden Ausgestaltungen werden somit Zusatzmassen
dazu benutzt, dass die radialen Kräfte, welche vom Einstab über den
Einspannbereich auf den Prozessanschluss übertragen werden, möglichst
Null sind. Die beiden Zusatzmassen lassen sich beispielsweise über entsprechende
Simulationen mit der Finiten Elemente Methode (FEM) anpassen.
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Die
Erfindung schafft somit eine Ansatzverträglichkeit, indem der Einstab
derartig geformt ist, dass möglichst
wenig Ansatz anhaften kann, wobei gleichzeitig auf einen möglichst
einfachen Einbau, vorzugsweise seitlich am Behälter geachtet wird. Damit keine
Kräfte
auf den Prozessanschluss wirken und somit keine Schwingungsenergie
verloren geht, ist der Einstab mit einer Kompensationsmasse und Zusatzmassen
ausgestattet, die eine Einstellung eines mechanischen Gleichgewichts
erlauben.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass der Langstab im Wesentlichen rohrförmig ausgestaltet
ist. Durch die rohrförmige
Ausgestaltung werden insbesondere die durch ein Auftreffen von Schüttgut wirkenden
Kräfte
vermindert und auch der Bereich, auf dem sich Ansatz niederlassen
kann, wird reduziert. Weiterhin erlaubt es eine Röhre, zumindest
den Kurzstab in sich aufzunehmen, welcher mit dem dem Medium zugewandten
Ende des Langstabs verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass nur
der Langstab in Kontakt mit dem Medium kommt und dass auch alle anderen
Teile des Messgerätes
dadurch gegenüber dem
Medium geschützt
sind.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass der Langstab mindestens einen Kurzstab
umgibt. Dabei handelt es sich vorzugsweise – wie oben angemerkt – um den
Kurzstab, der sich mit dem Einstab im Behälter befindet. Der Langstab
kann auch den zweiten Kurzstab beinhalten, so dass er beispielsweise
beide Kurzstäbe
koaxial umgibt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der zweite
Kurzstab den Langstab selbst becherförmig umgibt.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit ein
piezoelektrisches Element ist, welches zumindest zwei Segmente mit
im Wesentlichen entgegengesetzter Polarisation aufweist. Ein solcher
Piezowandler ist in der Anmeldung
WO 2004 057283 A1 beschrieben. Der Vorteil
liegt darin, dass so sehr einfach direkte Kippbewegungen erzeugt
werden können.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei den mechanischen Schwingungen
der mechanisch schwingfähigen
Einheit im Wesentlichen um Resonanzschwingungen handelt. Vorzugsweise
wird die Grundwelle angeregt. Bei den Schwingungen handelt es sich
weiterhin vorzugsweise um transversale bzw. um Biegeschwingungen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
einen Schnitt durch ein Messgerät
mit einem Einstab als mechanisch schwingfähiger Einheit gemäß dem Stand
der Technik,
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2:
eine schematische Darstellung der bei Schwingungen eines Einstabs
wirkenden Kräfte und
Momente bei einem Messgerät
gemäß 1,
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3:
eine Darstellung der wirkenden Kräfte bei einem erfindungsgemäßen Messgerät mit einem gebogenen
Langstab,
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4:
eine Darstellung der Kräfte
und Momente eines Langstabs gemäß 3,
die sich in Verbindung mit einer Kompensationsmasse ergeben, und
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5:
ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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1 zeigt
den prinzipiellen, aber nicht maßstabgerechten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens
einer Prozessgröße. Bei
der Prozessgröße handelt
es sich beispielsweise um den Füllstand, die
Dichte oder die Viskosität
eines Mediums in einem Behälter.
Die Prozessgröße wird
dabei üblicherweise
dadurch gemessen, dass die mechanisch schwingfähige Einheit 1 in
Kontakt mit dem – hier nicht
gezeigten – Medium
kommt, und dass durch den Mediumskontakt die Kenngrößen – Amplitude, Frequenz
und Phase – der
Schwingungen der schwingfähigen
Einheit 1 entsprechend beeinflusst oder verändert werden.
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Bei
der mechanisch schwingfähigen
Einheit
1 der
1 handelt es sich um einen sog.
Einstab (siehe hierzu auch die Anmeldung
WO 2005 008190 A1 ) Dieser
Einstab
1 besteht aus einer langen
2 und zwei
kurzen
3,
4 Einheiten. Der Langstab
2 ist
hier rohrförmig
ausgebildet – die
Rotationsachse ist eingezeichnet – und umgibt den ersten
3 und
den zweiten Kurzstab
4 koaxial. Der erste Kurzstab
3 ist
mit seinem dem Prozess, d.h. dem Medium zugewandten Ende mit dem
Langstab
2 verbunden. Weiterhin ist die Antriebs-/Empfangseinheit
5 im
ersten Kurzstab
3 angebracht, so dass der erste Kurzstab
3 insgesamt
als Antrieb für
den Einstab
1 fungiert. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit
5 handelt
es sich hier vorzugsweise um ein piezoelektrisches Element, welches
ein elektrisches Anregesignal in mechanische Schwingungen übersetzt
und umgekehrt die mechanischen Schwingungen des Einstabes
1 in
eine elektrische Wechselspannung übersetzt. Das piezoelektrische
Element ist vorzugsweise derartig ausgestaltet, dass direkte Kippbewegungen
erzeugt werden. Siehe hierzu die Anmeldung
WO 2004 057283 A1 .
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Die
mechanisch schwingfähige
Einheit 1 ist an einem Einspannbereich 6 mit dem
Prozessanschluss 7 verbunden. Über den Prozessanschluss 7, der
hier in einen Teil des Gehäuses
der Messvorrichtung übergeht,
wird somit die Einheit 1 mit dem – hier nicht gezeigten – Behälter verbunden,
in welchem sich das zu messende oder zu überwachende Medium befindet.
Der Einstab 1 und der Einspannbereich 6, d.h.
die Position des Einspannbereichs 6 längs des Langstabs 2 sind
dabei so gewählt
und ausgeglichen, dass möglichst
keine Schwingungsenergie auf den Prozessanschluss 7 übertragen
wird. Somit geht keine Energie verloren und die Messungen wirken
sich nicht negativ auf die Umgebung aus. Umgekehrt ist dadurch nur
ein geringer Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der Schwingungen
erforderlich.
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In
der 2 sind die Kräfte
und Momente gezeigt, die bei transversalen oder Biege-Schwingungen
der schwingfähigen
Einheit 1 in 1 auftreten. Gepunktet ist die
mechanisch schwingfähige Einheit 1 in
Bewegung und durchgezogen in Ruhe dargestellt. Für das Verständnis ist ein X,Y-Koordinatensystem
eingezeichnet. Der Langstab 2 ist dabei in Ruhe längs der
Y-Achse ausgerichtet, und der Einspannbereich 6 liegt längs der
X-Achse. Mit anderen Worten: Durch die rotationssymmetrische Ausgestaltung
bildet der Langstab die Y-Achse und der Einspannbereich 6 die
X-Achse des Systems, in welchem die Schwingungen zu beschreiben
sind. Eine Bewegung längs
der X-Achse ist eine radiale Bewegung und eine Bewegung auf der
Y-Achse eine axiale Bewegung. Die piezoelektrische Antriebs-/Empfangseinheit 5 bringt
die Masse m1 des ersten Kurzstabes 3 – hier dargestellt durch einen
Massepunkt – in
Pendelbewegungen, die auf den Langstab 2 mit der Gesamtmasse
m3 – ebenfalls
verdeutlicht durch einen Massepunkt – translatorische und rotatorische Beschleunigungskräfte F1 und
M1 überträgt. Über die
Kopplung durch den Langstab 2 wird gleichzeitig die auf
der anderen Seite des Langstabes 2 befestigte und resonanzmässig auf
den Antrieb, welcher aus der Antriebs-/Empfangseinheit 5 und
dem ersten Kurzstab 3 gebildet wird, abgestimmte Masse
m2 des zweiten Kurzstabes 4 die Beschleunigungskraft F2 und
das Drehmoment M2 übertragen.
Beide Kräfte F1
und F2 sind gleichgerichtet, während
die Drehmomente M1 und M2 gegensinnig auftreten. Die beiden Kurzstäbe 3, 4 bewegen
sich also beide im gezeigten Moment der Bewegung in Richtung der
negativen X-Achse und üben
dabei jeweils eine Kraft F1, F2 auf den Punkt aus, an welchem beide
Kurzstäbe 3, 4 jeweils
mit dem Langstab 2 verbunden sind. Da die beiden Kurzstäbe 3, 4 jedoch
gegenphasig schwingen, sind beide Kräfte F1, F2 gleichgerichtet
und versuchen quasi jeweils den Einstab 2 an diesen beiden Befestigungspunkten
in Richtung der positiven X-Achse zu verschieben. Aufgrund der Massenträgheit m3
des Langstabes 2 wirkt den Beschleunigungskräften F1
und F2 die Massenträgheitskraft
F3 entgegen. Da der Langstab 2 am Einspannbereich 6 mit
einem entsprechenden – hier
nicht gezeigten – Gehäuse für das Messgerät oder mit
dem Mediumsbehälter
verbunden ist, erfährt
der Langstab 2 dadurch eine geringe Krümmung. Der Umkehrpunkt des
Krümmungsbauchs
zeigt gegenüber
dem unverformten Stab (durchgezogene Linie) eine Verschiebung a,
die je nach dem Verhältnis
der Massen m1, m2, m3 zueinander auf der einen oder anderen Seite des
Langstabs 2 liegt. Durch Variation der Massen m1 und m2
lässt sich
erreichen, dass der Versatz a zu Null wird und dass auch keine Verschiebung
in Y-Richtung, also axial oder in Richtung der Längsachse des Langstabs 2 vorliegt.
Genau in diesem Einspannbereich 6 – der Langstab 2 und
die beiden Kurzstäbe 3, 4 sind
weiterhin rotationssymmetrisch zu verstehen – ist der Langstab 2 kräfte- und
momentenfrei während
der Schwingungen der beiden Kurzstäbe 3, 4. Über die
beiden Zusatzmassen mz1 und mz2 – dabei handelt es sich beispielsweise
um die beiden Endbereiche des Langstabs 2 in 1,
an welchem die beiden Kurzstäbe 3, 4 befestigt
sind – lässt sich
zusätzlich
die Lage der kräftefreien
Stelle des Langstabs 2 in Y- bzw. axialer Richtung verschieben.
Erhöht
man z.B. die Zusatzmasse mz2 gegenüber der Masse mz1, so wird
die kräfte-
und momentenfreie Stelle des Langstabs 2 in Richtung der
negativen Y-Achse verlagert. Dies ist wichtig, damit der prozessseitige
Anteil des Langstabes 2 länger ausgebildet werden kann
als der rückseitige
und vom Prozess- bzw. vom Medium abgewandte Anteil. Dies ist insofern
von Bedeutung, da der rückseitige
Stabanteil des Langstabs 2 in einem relativ geringen Einbauvolumen
unterzubringen ist.
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An
der 2 lässt
sich folgendes zusammenfassend festhalten: Die beiden Kurzstäbe 3, 4 führen transversale
Schwingungen aus. Da beide gegenphasig schwingen, erzeugen sie eine
Krümmung im
Langstab 2, an dem beide Kurzstäbe 3, 4 befestigt sind.
Durch einen Abgleich zumindest der Massen m1, m2 der beiden Kurzstäbe 3, 4 aufeinander
ist es möglich,
dass die Krümmung
a zumindest im Einspannbereich 6 des Langstabs 2 Null
ist. Es treten somit keine radialen Kräfte im Einspannbereich 6 auf. Durch
zwei Zusatzmassen mz1, mz2 am jeweiligen Endbereich des Langstabs 2 lässt sich
dieser in Bezug auf die radialen Kräfte freien Einspannbereich 6 in
axialer Richtung verschieben. Diese Diskussion bezieht sich dabei
auf einen geraden Langstab 2.
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In
der 3 sind entsprechend zur 2 die Kräfte- und
Momenteverhältnisse
dargestellt, welche sich bei einem gebogenen Langstab 2 ergeben. Durchgezogen
der Stab 2 in Ruhe und gepunktet dargestellt die Komponenten
der mechanisch schwingfähigen
Einheit 1 in Bewegung. Der Langstab 2 weist in
zumindest einem Bereich eine Krümmung
gegenüber
der Längsachse
des geraden Langstabs 2 auf. Die dargestellte Krümmung führt hier
dazu, dass der Langstab 2 zwei Abschnitte aufweist, welche
im 90° Winkel
zueinander stehen. Der 90°-Krümmungswinkel
ist hier gewählt,
um das Prinzip zu verdeutlichen. Für andere Winkel gilt das Modell
entsprechend. Der große
Vorteil eines solchen 90°-Winkels
besteht darin, dass die schwingfähige
Einheit 1 in den Tank/Behälter von der Seite eingebaut
werden kann, dass jedoch der sich im Tank befindende Abschnitt ähnlich wie
bei einem Einbau vom Boden oder der Decke des Tanks her senkrecht
im Tank befindlich ist, und dass somit der Bereich, auf welchem
sich Ansatz bilden kann, minimal ist.
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Die
in einem gekrümmten
Einstabsystem auftretenden Kräfte
und Drehmomente verändern sich
gegenüber
dem geraden System dadurch, dass der gekrümmte Langstab 2 einschließlich des
im Innern befindlichen Antriebs des ersten Kurzstabs 3 zusätzliche
axiale Kraftkomponenten – hier
in Richtung der Y-Achse – erzeugt.
Der gekrümmte
Einstab 1, wie in 3 dargestellt,
besitzt wie der gerade Stab in 2 eine an
einem Stabende befestigte Schwingmasse m1, die mit einem piezoelektrischen
Antriebsystem in Pendelbewegungen gebracht wird. Der erste Kurzstab 3 schwingt
hier immer noch transversal zum ihn umgebenden Langstab 2.
Während
der Hin- und Herbewegung
des ersten Kurzstabs 3 wirken auf den Bereich der Verbindung
zwischen Kurzstab 3 und Langstab 2 die Beschleunigungskraft
F1 in Y-Richtung und das Drehmoment M1. Auf der anderen Seite des
gekrümmten
Langstabs 2 ist die Kompensationsmasse m2 des zweiten Kurzstabs 4 befestigt.
Diese Masse m2 führt
im Resonanzbetrieb der Masse m1 des ersten Kurzstabs 3 entsprechende gegenphasige
Pendelbewegungen durch. Die Massenträgheitsmomente der beiden schwingenden Massen
m1 und m2 sind so aufeinander abgestimmt, dass die beiden Drehmomente
M1 und M2 gleich groß sind,
sich also gegenseitig ausgleichen und nicht zu einem verbleibenden
Drehmoment führen. Während der
Pendelbewegung der Massen m1 und m2 erfährt der Langstab 2 mit
der Masse m3 in den geraden Stabanteilen zu beiden Seiten des Krümmungsbereichs
geringe Verbiegungen jeweils in Bewegungsrichtung der pendelnden
Massen. In X-Richtung entspricht der Versatz des gebogenen Rohrs des
Langstabs 2 gegenüber
der unverformten Struktur – wie
in 2 – dem
Betrag a und in Y- Richtung dem Betrag b. Die Beträge a und
b sind abhängig
von der Gesamtmasse m3 des Langstabs 2. Die beiden Kurzstäbe 3, 4 schwingen
wie in 2 gegenphasig zueinander, im Gegensatz zur 2 sind
jedoch die auf die Verbindungsstelle zwischen Kurzstab 3, 4 und Langstab 2 wirkenden
Kräfte
F1, F2 nicht mehr parallel zueinander, sondern sie bilden einen
Winkel zueinander, der sich aus der Krümmung des Langstabs 2 ergibt.
Mit anderen Worten: Durch die Krümmung des
Langstabs 2 stehen die beiden Kurzstäbe 3, 4 in einem
bestimmten Winkel zueinander, der sich auch zwischen den wirkenden
Befestigungspunktkräften findet.
Erschwert wird die Betrachtung weiterhin dadurch, dass die Kräfte F1,
F2 nicht direkt miteinander wirken, sondern dass jeweils auch zunächst das
jeweilige System aus einem Kurzstab 3 oder 4 und dem
den jeweils betrachteten Kurzstab 3 oder 4 umgebenden „geraden" Abschnitt des Langstabs 2 betrachtet
werden muss. Durch den Winkel zwischen den Kräften F1 und F2 ergeben sich
somit zwei im Einspannbereich 6 sich durch den Versatz
auswirkende Kräfte
F3x und F3y. Das Schwingungssystem der „gekrümmten" schwingfähigen Einheit 1 ist
somit eine Kombination aus dem Schwingsystem der geraden schwingfähigen Einheit 1 mit
dem axialen Versatz, welcher sich aus der Krümmung und dadurch aus dem Winkel
zwischen den Kräften
F1 und F2 ergibt. Durch die Variation der beiden Massen m1 und m2
sowie den zusätzlich
angebrachten Massen mz1 und mz2 lässt sich der Versatz a – wie im „geraden" System in 2 – gegen
Null bringen, so dass der Schwinger 1 in dieser Stelle
nur noch Bewegungen in Y-Richtung mit Versatz b ausführt. Die
Bewegung in Y-Richtung lässt
sich mit einem zusätzlichen
Schwinger kompensieren, der in jedem Augenblick die entsprechende
Gegenkraft in Y-Richtung liefert und somit im Umkehrpunkt des gebogenen
Stabanteils in Y- Richtung bewegungsfrei ist.
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Ein
solcher Kompensator ist in 4 dargestellt.
Die Kompensationsmasse 11 mit dem Massenträgheitsmoment
mk ist über
zwei Membranfedern 12 mit dem Prozessanschluss 7,
der hier ein Teil des Gehäuses
der Messvorrichtung ist, fest verbunden. Die aufgrund der Schwingungen
der um 90° gebogenen
schwingfähigen
Einheit 1 auftretenden radialen Kräfte in der Ebene des Prozessanschlusses 7 sind durch
den Abgleich der beiden Kurzstäbe 3, 4,
des Langstabs 2, der beiden Kompensationsmassen 8, 9 und
des Einspannbereichs 6 aufeinander im Wesentlichen Null,
d.h. es treten keine radialen Bewegungen im Einspannbereich 6 im
Prozessanschluss 7 auf, d.h. es gilt: F3x = 0. Ohne die
Kompensationsmasse 11 führt
die Prozessanschlussmasse 7 aufgrund der von der Antriebs-/Empfangseinheit 5 und
der Masse m1 des ersten Kurzstabs 3 übertragenen Beschleunigungskraft
F1 Bewegungen in Y-Richtung aus. Um diese axiale Bewegung zu kompensieren, überträgt die der
Antriebsmasse m1 des ersten Kurzstabs 3 entgegenwirkende
Kompensationsmasse 11 mit der Masse mk die Beschleunigungskraft
Fk. Diese Kraft Fk ist gleich groß wie die Beschleunigungskraft
F1 des ersten Kurzstabs 3. Da die Kräfte F1 und Fk jedoch einander
entgegengerichtet sind, ist der Schwinger 1 im Bereich
der Einspannung kräfte-
und momentenfrei.
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Somit
lassen sich die Besonderheiten der gekrümmten mechanisch schwingfähigen Einheit 1 anhand
der 4 wie folgt zusammenfassen: Durch die Krümmung treten
nicht nur radiale, sondern auch axiale Kräfte im Bereich des Einspannbereichs 6 auf, welche
sich auf den Prozessanschluss 7 auswirken. Die axialen
Kräfte
senkrecht zur Ebene des Prozessanschlusses 7 bzw. des Einspannbereichs 6 werden wie
beim geraden Einstab 1 in 1 oder 2 durch
den Abgleich der Zusatzmassen 8, 9, der Kurzstäbe 3, 4,
des Langstabs 2 und der Wahl des Einspannbereichs 6 zu
Null gesetzt. Die axialen Kräfte ergeben
sich durch den aus der Krümmung
resultierenden Winkel zwischen den beiden Kurzstäben 3, 4. Diese
Kräfte
lassen sich durch eine zusätzliche
Kompensationsmasse 11 ausgleichen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Messvorrichtung mit einer Stabkrümmung von 90° ist in 5 zu sehen.
Diese Ausführungsform
ist für
die seitliche Befestigung an dem das Medium 14 umfassenden Behälter 13 mit
einem Flansch als Prozessanschluss 7 gedacht. Der Flansch 7 dient
gleichzeitig als Halter für
den Kompensator 11. Die Darstellung ist nicht maßstabsgemäß. Der erste
Kurzstab 3 und die darin integrierte Antriebs-/Empfangseinheit 5 befindet
sich im Inneren des Langstabs 2 und ist am dem Prozess bzw.
dem Medium zugewandten Ende des Langstabs 2 befestigt.
Die Schwingungen des Einstabs 1 erfolgen durch die Hin-
und Herbewegung des ersten Kurzstabs 3, der auf den Langstab 2 entsprechend seiner
Masse m1 Beschleunigungskräfte überträgt. Führt der
erste Kurzstab 3 eine Bewegung nach rechts aus, so erfährt die
Gesamtmasse des Einstabs 1 eine Beschleunigungskraft F1
entgegen der Bewegungsrichtung des ersten Kurzstabs 3.
Die Kompensationsmasse 11 bewegt sich entgegen der Bewegungsrichtung
des ersten Kurzstabs 3, d.h. nach links und überträgt daher
eine der Beschleunigungskraft F1 des ersten Kurzstabs 3 entgegen
gerichtete Kompensationskraft Fk auf den Prozessanschluss 7.
Ist die Kompensationsmasse mk richtig an die Antriebsmasse m1 angepasst,
sind beide Kräfte
gleich, d.h. es gilt Fk = F1. Dies bedeutet, dass die Einspannung des
Prozessanschlusses 7, die mit der schwingfähigen Einheit 1 fest verbunden
ist, kräftefrei
ist. Somit stellt der Einstab 1 ein in sich energetisch
geschlossenes Schwingungssystem dar; sieht man von der inneren Materialreibung
ab. Für
den in Bezug auf die wirkenden bzw. auftretenden Kräfte und
Momente freien Prozessanschluss 7 sind auch die beiden Kompensationsmassen 8, 9 am
jeweiligen Verbindungsbereich zwischen dem jeweiligen Kurzstab 3, 4 und
dem Langstab 2 vorgesehen. Der zweite Kurzstab 4 umgibt
in dieser Ausgestaltung den Langstab 2 koaxial.
-
- 1
- Mechanisch
schwingfähige
Einheit
- 2
- Langstab
- 3
- Erster
Kurzstab
- 4
- Zweiter
Kurzstab
- 5
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 6
- Einspannbereich
- 7
- Prozessanschluss
- 8
- Erste
Zusatzmasse des ersten Kurzstabes
- 9
- Zweite
Zusatzmasse des zweiten Kurzstabes
- 11
- Kompensationsmasse
- 12
- Feder
- 13
- Behälter
- 14
- Medium