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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands eines Schüttguts in einem Behälter mit einem Messflügel, welcher zumindest eine Drehbewegung im Behälter ausführt, einem Motor zum Antrieb des Messflügels und einer Welle, über welche der Messflügel mit dem Motor verbunden ist, wobei die Welle in eine treibende Motorwelle und eine getriebene Messflügelwelle unterteilt ist und wobei die Motorwelle und die Messflügelwelle über eine Kupplung lösbar miteinander verbunden sind.
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Insbesondere ist die Vorrichtung zur Überwachung eines minimalen oder maximalen Füllstands eines Mediums im Behälter geeignet; in diesem Fall wird die Vorrichtung als Drehflügelgrenzschalter bezeichnet. Der Drehflügelgrenzschalter wird hierbei auf der zu überwachenden Höhe im Behälter angebracht.
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Behälter und Silos zur Lagerung von Schüttgütern sind weit verbreitet. Um den Füllstand des Schüttgutes zu überwachen kommen häufig so genannte Drehflügelgrenzschalter zum Einsatz. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Messflügel, einer Welle und einem Motor, wobei der Motor über die Welle den im Behälter auf der zu überwachenden Füllstandshöhe angebrachten Messflügel in eine Drehbewegung versetzt. Trifft das Schüttgut beispielsweise beim Befüllen des Behälters auf den sich drehenden Messflügel, wird der Messflügel durch den Widerstand des Schüttguts in seiner Drehbewegung gehemmt oder gar angehalten. Der Motor ist drehbar gelagert und bewegt sich hierdurch von einer Ruhelage in eine Schaltlage. Hierdurch werden zwei Kontakte umgeschaltet, wobei der erste Kontakt das Erreichen des Füllstands signalisiert, beispielsweise durch Weiterleitung eines Signals an eine Leitwarte. Der zweite Kontakt bewirkt, dass der Motor abgeschaltet wird. Sobald das Schüttgut den Messflügel wieder frei gibt, dreht sich der Motor in seine Ruhelage zurück und versetzt den Messflügel wieder in eine Drehbewegung.
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Der Messflügel ist dem Schüttgut direkt ausgesetzt und kann daher hohen mechanischen Belastungen unterliegen. Insbesondere das Befüllen des Behälters mit schweren, groben Schüttgütern kann dazu führen, dass der Messflügel plötzlich auftretenden großen Kräften ausgesetzt ist. Dies kann durch die Kopplung mit dem Motor zu einer Überbelastung des Motors führen, wodurch dieser Schaden nehmen kann. Muss der Motor auf Grund dessen ausgetauscht oder repariert werden, ist der Ausbau des gesamten Messgerätes erforderlich. Hierzu ist ein Leeren des Behälters zumindest bis unterhalb der Position des Messgerätes notwendig, da an dieser Stelle ein Loch in der Behälterwand zurückbleibt. Dies macht die Behebung eines Motorschadens sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Im Stand der Technik wird dem Problem eines Motorschadens durch Überbelastung damit begegnet, dass der Messflügel über eine Rutschkupplung angetrieben wird. In der Schrift
US 4,147,906 wird hierzu eine Federkraftkupplung und in der Schrift
EP 1357366 B1 eine magnetische Rutschkupplung vorgeschlagen.
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Fällt der Motor dennoch aus, beispielsweise durch Alterung oder auf Grund von zu hohen Temperaturen, ist dennoch ein aufwendiger Austausch erforderlich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Überwachung eines vorbestimmten Füllstands bereit zu stellen, welche im Schadensfall einfach austauschbar ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung aus einem ersten Modul und einem zweiten Modul besteht, wobei das erste Modul lösbar mit dem zweiten Modul verbunden ist, wobei das erste Modul einen Prozessanschluss, den Messflügel und die Messflügelwelle umfasst, und wobei das zweite Modul zumindest den Motor und die Motorwelle umfasst.
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Das zweite Modul ist unabhängig vom Füllstand in dem Behälter abnehmbar, während das erste Modul über den Prozessanschluss im Behälter befestigt ist. Der modulare Aufbau ermöglicht den einfachen Austausch von Elementen, welche sich im zweiten Modul befinden, wie beispielsweise dem Motor. Das erste Modul ist abdichtend in den Behälter eingebracht, sodass dieser auch während des Entfernens des zweiten Moduls dicht verschlossen bleibt. Ein vollständiges oder teilweises Entleeren des Behälters im Falle eines erforderlichen Austausches des Motors ist somit im Gegensatz zu herkömmlichen Drehflügelgrenzschaltern nicht mehr notwendig.
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In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind das erste Modul und das zweite Modul derart ausgestaltet, dass zwischen dem ersten Modul und dem zweiten Modul eine feste Verbindung herstellbar ist. Die feste Verbindung wird beispielsweise durch eine Verriegelungsgabel hergestellt. Während des Messbetriebs sind die beiden Module fest verbunden. Ist ein Austausch oder eine Reparatur eines Elements des zweiten Moduls notwendig, kann die Verbindung getrennt und das zweite Modul entfernt werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das zweite Modul eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, welche durch eine Trennwand voneinander getrennt sind, wobei die erste Kammer den Motor und die zweite Kammer die Kupplung zwischen der Motorwelle und der Messflügelwelle enthält, und wobei die Trennwand eine Öffnung aufweist, durch welche die Motorwelle von der ersten Kammer in die zweite Kammer ragt. Durch die zweite Kammer ist Trennung zwischen dem Prozess und dem Motor realisiert. Bevorzugt befinden sich in der ersten Kammer neben dem Motor auch Schaltkontakte und weitere elektrische Bauteile.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das zweite Modul derart ausgestaltet ist, dass die erste Kammer thermisch von dem Behälter entkoppelt ist. Die thermische Entkopplung wird beispielsweise durch die Trennwand sichergestellt, welche je nach erforderlicher Güte der thermischen Entkopplung entsprechend dick oder aus einem besonders geeigneten Material ausgestaltet ist.
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Herkömmliche Drehflügelgrenzschalter weisen den Nachteil auf, dass sie nur bei moderaten Temperaturen eingesetzt werden können. Der Grund hierfür ist, dass übliche Wechselstrommotoren nur bei Temperaturen unterhalb circa 55°C betrieben werden können. Da der Motor eines Drehflügelgrenzschalters thermisch an den Prozess gekoppelt ist, darf die Prozesstemperatur somit diese Temperaturschwelle nicht übersteigen. Durch die thermische Entkopplung des Motors von dem Behälter und somit von dem Prozess erweitert sich der Anwendungsbereich des Drehflügelgrenzschalters hin zu höheren Temperaturen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Kupplung derart ausgestaltet ist, dass bei einer vorgegebenen Belastung des Messflügels die Verbindung zwischen der Messflügelwelle und der Motorwelle getrennt wird.
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Durch die Trennung der Messflügelwelle von der Motorwelle wird der Motor vor einer Überbelastung geschützt. Die Trennung erfolgt hierbei bei einer vorgegebenen Belastung des Messflügels, deren Höhe von der Belastungsgrenze des Motors, bevor dieser Schaden nimmt, abhängt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Kupplung durch mindestens einen Permanentmagneten realisiert, welcher zwischen der Motorwelle und der Messflügelwelle angeordnet ist. Beispielsweise ist ein Permanentmagnet lösbar zwischen der Motorwelle und der Messflügelwelle angeordnet. Erreicht oder übersteigt die Belastung des Messflügels die vorgegebene Belastung, rutscht der Permanentmagnet zwischen den beiden Wellen durch und trennt somit deren Verbindung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Motorwelle und die Messflügelwelle im Bereich der Kupplung jeweils einen tellerförmigen Fortsatz auf und der Permanentmagnet ist zwischen den beiden tellerförmigen Fortsätzen angeordnet, wobei der Permanentmagnet in seinem Durchmesser an den Durchmesser der tellerförmigen Fortsätze angepasst ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kupplung als Federkupplung oder als Federscheibenkupplung ausgestaltet. Bei hohen Temperaturen weist eine Kupplung durch einen Permanentmagneten eine verringerte Stabilität auf, sodass unter anderem im Fall hoher Prozesstemperaturen der Einsatz einer Federkupplung oder einer Federscheibenkupplung sinnvoll ist. Auch diese ist so ausgestaltet, dass sie bei einer vorgegebenen Belastung des Messflügels die Verbindung zwischen Messflügelwelle und Motorwelle trennt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt ein Silo mit zwei im Schnitt dargestellten erfindungsgemäßen Drehflügelgrenzschaltern;
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2a zeigt einen Querschnitt des ersten Moduls eines modular aufgebauten Drehflügelgrenzschalters mit Magnetkupplung;
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2b zeigt einen Querschnitt des zweiten Moduls eines modular aufgebauten Drehflügelgrenzschalters mit Magnetkupplung.
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In 1 ist ein Behälter 15, insbesondere ein Silo, dargestellt, an dessen Wand zwei modular aufgebaute Drehflügelgrenzschalter 20 angebracht sind. Der im unteren Bereich angeordnete Drehflügelgrenzschalter 20 ist in seine Einzelteile erstes Modul 7, zweites Modul 8 und Verriegelungsgabel 14 zerlegt dargestellt, was beispielsweise der Situation beim Austausch des zweiten Moduls 8 entspricht. Das erste Modul 7 mit dem Messflügel 1 ist über den Prozessanschluss 5 in den Behälter 15 eingebracht. Der weiter oben angeordnete Drehflügelgrenzschalter 20 ist im betriebsbereiten Zustand dargestellt, d. h. die beiden Module 7, 8 sind fest miteinander verbunden. Beispielsweise ist das zweite Modul 8 auf das erste Modul 7 aufgeschraubt oder aufgesteckt, wobei die Steckverbindung durch einen Verriegelungsmechanismus gefestigt ist. in diesem Ausführungsbeispiel ist die Verriegelung durch die Verriegelungsgabel 14 realisiert. Die Motorwelle 3 ist mit der Messflügelwelle 4 über die Kupplung 6 verbunden.
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2a und 2b offenbaren eine Detailansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten Moduls 7 und des zweiten Moduls 8 eines modular aufgebauten Drehflügelgrenzschalters mit einer im Wesentlichen durch einen Permanentmagneten 12 realisierten magnetischen Kupplung 6. Hierbei zeigt 2a das erste Modul 7 und 2b das zweite Modul 8 im Querschnitt.
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Das erste Modul 7 besteht aus dem Messflügel 1, der Messflügelwelle 4, welche mit dem Messflügel 1 fest verbunden ist und diesen zur Ausführung einer Drehbewegung antreibt, sowie aus dem Prozessanschluss 5. Der Prozessanschluss 5 wird beim Einsetzen in den Behälter 15 beispielsweise mit einer Flachdichtung D1 gegenüber dem Prozess abgedichtet. Die Messflügelwelle 4 ist im Inneren des Prozessanschlusses 5 drehbar gelagert. Damit kein Prozessmedium durch einen eventuell vorhandenen Spalt zwischen der Messflügelwelle 4 und dem Prozessanschluss 5 in den Bereich außerhalb des Behälters 15 gelangt, ist zwischen Messflügelwelle 4 und Prozessanschluss 5 ein Dichtring D2 angebracht.
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Das zweite Modul 8 ist in eine erste Kammer 10 und eine zweite Kammer 11 unterteilt, wobei die erste Kammer 10 den Motor 2 enthält. Bevorzugt befinden sich in der ersten Kammer 10 zudem die Kontakte und Schaltelemente der Auswerteelektronik zur Bestimmung des Erreichens des vorbestimmten Füllstands (hier nicht dargestellt). Die erste Kammer 10 ist von der zweiten Kammer 11 durch eine Trennwand 9 getrennt. Die Trennwand 9 weist eine Öffnung auf, durch welche die Motorwelle 3 von der ersten Kammer 10 in die zweite Kammer 11 ragt und welche abgedichtet ist, sodass die erste Kammer 10 von der zweiten Kammer 11 isoliert ist. Die zweite Kammer 11 bildet hierdurch sozusagen einen Puffer zwischen dem Prozess und der dort vorherrschenden Temperatur und der ersten Kammer 10, in welcher sich der Motor 2 befindet, sodass die erste Kammer 10 thermisch vom Behälter 15 bzw. dem Prozess entkoppelt ist. Dies ist von Vorteil, da übliche Wechselstrommotoren bei hohen Temperaturen ab circa 50°C nicht mehr einsetzbar sind. Durch diese Ausgestaltung des zweiten Moduls 8 ist der Motor 2 nicht der Prozesstemperatur ausgesetzt, sodass er auch dann betrieben werden kann, wenn die Prozesstemperatur oberhalb der für den Motor 2 verträglichen Schwelle liegt. Bis zu welcher Temperatur dies gilt ist selbstverständlich von der Güte der thermischen Entkopplung abhängig.
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Die zweite Kammer 11 enthält den Endbereich der Motorwelle 3, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen tellerförmigen Fortsatz 13 aufweist. Dieser dient der Kopplung an den Permanentmagneten 12, wobei durch die vergrößerte Querschnittsfläche eine bessere Haftung erzielt wird. Die Messflügelwelle 4 weist ebenfalls solch einen tellerförmigen Fortsatz 13 auf. Der Permanentmagnet 12, welcher bevorzugt in seinem Querschnitt an den der tellerförmigen Fortsätze 13 angepasst ist, koppelt die Messflügelwelle 4 an die Motorwelle 3. Ist der Motor 2 in Betrieb, wird das erzeugte Drehmoment an die Motorwelle 3 und die Messflügelwelle 4 übertragen und der Messflügel 1 in eine Drehbewegung versetzt.
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Trifft Füllgut auf den Messflügel 1, wird dieser in seiner Drehbewegung gestört. Dies hat Rückwirkungen auf den Motor 2, welcher den Messflügel 1 antreibt. Um dessen Beschädigung bei zu hoher Belastung zu vermeiden, wird ab einer bestimmten Belastung, welche unterhalb der für den Motor 2 maximal verträglichen liegt, die Kupplung 6 getrennt. In diesem Ausführungsbeispiel wird dies dadurch realisiert, dass der Permanentmagnet 12 zwischen den beiden tellerförmigen Fortsätzen 13 durchrutscht. Somit kann keine für den Motor 2 gefährliche Kraft mehr von der Messflügelwelle 4 auf den Motor 2 übertragen werden. In einer alternativen Ausführung ist die Kupplung 6 als Federkraftkupplung ausgestaltet. Beispielsweise bei Hochtemperaturanwendungen ist die Federkraftkupplung gegenüber der Magnetkupplung vorzuziehen, da die Magnetkupplung bei hohen Temperaturen an Haltekraft verliert. Analog zur Magnetkupplung wird auch bei der Federkraftkupplung die Verbindung zwischen Messflügelwelle 4 und Motorwelle 3 bei einer bestimmten Belastung getrennt.
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Der modulare Aufbau des Drehflügelgrenzschalters 20 bietet den Vorteil, dass für den Fall, dass der Motor 2 trotz erhöhtem Schutz vor Beschädigung ausgetauscht werden muss, beispielsweise auf Grund von Alterungserscheinungen, nur das zweite Modul 8 entfernt werden muss, während das erste Modul 7 im Behälter 15 verbleibt. Da das erste Modul 7 durch die Dichtungen D1, D2 derart ausgestaltet ist, dass das Innere des Behälters 15 dicht gegenüber dem Außenbereich abgeschlossen ist, ist hierzu kein Entleeren des Behälters 15 erforderlich.
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Die feste Verbindung zwischen dem ersten Modul 7 und dem zweiten Modul 8 wird beispielsweise über eine U-förmige Verriegelungsgabel 14 hergestellt, welche in 1 dargestellt ist. Das zweite Modul 8 ist auf das erste Modul 7 aufgesteckt, wobei das Gehäuse des zweiten Moduls 8 mit dem Prozessanschluss 5 des ersten Moduls 7 zumindest teilweise einen Überlapp bildet. Das erste Modul 7 weist eine umlaufende Nut 16 auf, während das Gehäuse des zweiten Moduls 8 zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete und im Wesentlichen parallel ausgeführte Bohrungen 17 aufweist. Ist das zweite Modul 8 auf das erste Modul 7 aufgesetzt, liegen die Bohrungen 17 auf einer Höhe mit der Nut 16 und bilden gewissermaßen einen Kanal. Die Verriegelungsgabel 14 greift durch diesen Kanal hindurch und ist an den Austrittsenden gegen Herausrutschen gesichert. Selbstverständlich ist dieser Befestigungsmechanismus nur exemplarisch zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messflügel
- 2
- Motor
- 3
- Motorwelle
- 4
- Messflügelwelle
- 5
- Prozessanschluss
- 6
- Kupplung
- 7
- Erstes Modul
- 8
- Zweites Modul
- 9
- Trennwand
- 10
- Erste Kammer
- 11
- Zweite Kammer
- 12
- Permanentmagnet
- 13
- Tellerförmiger Fortsatz
- 14
- Verriegelungsgabel
- 15
- Behälter
- 16
- Nut
- 17
- Bohrungen
- 20
- Drehflügelgrenzschalter
- D1
- Flachdichtung
- D2
- Dichtring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4147906 [0005]
- EP 1357366 B1 [0005]