DE2855643B2

DE2855643B2 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter

Info

Publication number: DE2855643B2
Application number: DE19782855643
Authority: DE
Inventors: Franz 7501 Marxzell-Pfaffenrot Macho
Original assignee: VEGA VERTRIEB und FERTIGUNG ELEKTRONISCHER GERAETE und APPARATE GRIESHABER KG 7620 WOLFACH
Current assignee: VEGA VERTRIEB und FERTIGUNG ELEKTRONISCHER GERAETE und APPARATE GRIESHABER KG 7620 WOLFACH
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-10-16
Also published as: JPS55124020A; JPS6257932B2; DE2855643A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem zumindest ein in den Behälter hineinragendes als Schwingstab ausgebildetes Schwingungselement aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenen Füllgut gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit der Amplitude der Schwingungen.

J» Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. Es wird der Effekt ausgenutzt, daß Schwingungsenergie durch Impulsübertragung von dem Schwingungsgebilde aut das Füllgut übergeht, wodurch das zu Schwingungen angeregte Schwingungsgebilde eine Dämpfung erfährt.

r. Aus der DE-PS 5 82 760 und der GB-PS 10 Ii ,86 sind Vorrichtungen bekannt, bei denen zumindest ein Schwingstab, der auf seiner Resonanzfrequenz zu Biegeschwingungen angeregt wird, in einen zu überwachenden Behälter hineinragt und dessen Schwingungen bei der Berührung mit dem Füllgut gedämpft werden, so daß durch diese Schwingungsänderung der Füllstand angezeigt werden kann.

Diese bekannten Füllstandsmeßvorrichtungen zeigen jedoch den Nachteil, daß der einzelne Schwingstab

4^r) beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung und damit auf die Behälterwandung ausübt, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab auf die Behälterwandung übertragen wird. Die Leerlaufverluste des Schwingungsgebildes, das sind die Schwingungsenergie-

V) verluste, wenn das Schwingungsgebilde nicht in Füllgut eintaucht, sind entsprechend groß. Das Schwingungsantriebssystem muß deshalb leistungsstark ausgelegt sein, um Schwingungen in der Kontrollvorrichtung aufrechtzuerhalten. Das hat jedoch zur Folge, daß das

y> Schwingungsgebilde beim Eintauchen in leichtere Schüttgüter, die ein geringes Dämpfungsvermögen haben, nicht mehr genügend gedämpft wird. Das bedeutet jedoch, daß leichtere Schüttgüter mit diesen Vorrichtungen nicht kontrollierbar sind.

«ι Es wurde daher der Vorschlag unterbreitet, anstelle eines Schwingstabes zwei parallel nebeneinander angeordnete Schwingstäbe in den Behälter hineinragen zu lassen, die an der Einspannstelle über ein Joch miteinander verbunden sind und in gegensinnige

b^r> Biegeschwingungen versetzt werden können (DE-AS 17 73 815). Neben dem erheblich größeren konstruktiven Aufbau im Vergleich zu den Meßvorrichtungen mit einem einzigen Schwingstab zeigt die als Stimmgabel

ausgebildete Vorrichtung den Nachteil, daß zwischen den Schwingstäben pulverförmige oder faserige Füllgüter hängenbleiben können, so daß eine Dämpfung des Schwingungsgebildes erfolgt, obwohl ein niedriger Füllstand vorhanden ist

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, ohne Übertragung von Schwineungsenergie zur Behälterwand eine überaus präzise Überwachung der Füllstandshöhe in einem Behälter zu ermöglichen, ohne daß eine aufwendige Konstruktion erforderlich ist Gleichzeitig soll sichergestellt sein, daß das Schwingungsgebilde keine Fehlmessungen liefert, die zum Beispiel durch Hängenbleiben des Füllgutes an dem Gebilde verursacht werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schwingungsgebilde zwei übereinander angeordnete Schwingungselemente aufweist, die als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende Orehschwinger ausgebildet und zur Bestimmung des Füllstandes in Schwingungen von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind.

Vorzugsweise sind die Schwingungselemente im Zentrum jeweils einer als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet deren äußere Ränder über ein Rohrstück miteinander verbunden sind. Die von den Schwingungsclementen verursachten Drehmomente, die auf das Rohr wirken, kompensieren sich ajf diesem. Damit der Schwerpunkt des gesamten Schwingungsgebildes nicht schwingt, wodurch ebenfalls Schwingungsenergie verlorengehen könnte, liegt der Schwerpunkt eines jeden Schwingungselementes jeweils im Zentrum der entsprechenden Membran und auf der Drehachse des Schwingungselementes. Dadurch bildet das gesamte Rohr den Schwingungsknoten des Schwingungsgebildes. Mit einer Ringmembran wird das Schwingungsgebilde an diesem Rohr in ein Einschraubstück eingehängt, mit dem das gesamte Gerät in die Wandung des Behälters montiert wird, in dem der Füllstand kontrolliert werden soll.

Vorzugsweise besteht das Schwingungsgebilde aus nicht magnetisierbarem Material.

Um das Schwingungsgebiide in Schwingungen versetzen zu können, wird ein elektromagnetisches Antriebssystem gewählt, welches aus einer vorzugsweise von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossenen, einen Anker umgebenden Spule, dem Anker und zwei magnetischen Polen besieht von denen jeweils einer in einem der Schwingungselemente eingelassen ist. Dabei zeigt der Anker zwei auf die Schwingungselemente ausgerichtete parallele oder nahezu parallele Schenkel, deren freie Enden jeweils dem magnetischen Pol in einem der Schwingungselemente zugewandt sind. Das Abgreifen der Schwingung erfolgt ebenfalls dutch ein elektromagnetisches System, das diametral zum Antriebssystem angeordnet ist und aus einem mit einem Schwingungselement verbundenen Stabmagnet und einer diesen teilweise umgebenden Spule besteht. Dabei wird in der Spule bei Schwingungen des Schwingungsgebildes durch Bewegen des Stabmaganeten in der Spule eine Spannung induziert, die über einen Verstärker als pulsierender Gleichstrom der Spule des Antriebssystems zuführbar ist. Um ein Messen und Kontrollieren des Füllstandes in einem Behälter zu ermöglichen, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet ist, ist der Ausgang des Verstärkers mit einem Schwellwctdiskriminator verbunden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wild nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

■> Fig.2 eine Seitenansicht eines Schwingungselements, welches in einen Behälter hineinragt

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung enthält zwei übereinander angeordnete Schwingungselemente, von denen das untere in einen Behälter hineinragt und aus

tu einer zylindrischen Masse und einem sich anschließenden stabfömigen Teil 2 zusammensetzt Die zylindrische Masse 1 und der stabförmige Teil 2, der, wie F i g. 2 zeigt, als Paddel ausgebildet sein kann, sind starr miteinander im Zentrum einer Membran 3 verbunden. Das in den Behälterraum ragende Ende des stabförmigen Teils 2 ist quer zur Schwingungsrichtung (durch Pfeile angedeutet) flach gequetscht wodurch die Paddelform erzeugt wird. Gleichzeitig wird damit die wirksame Flache, die mit dem zu überprüfenden Füllgut in Verbindung treten kann, vergrößert Oberhalb des ersten als Drehschwingkörper ausgebildeten Schwingungselements 1, 2 befindet sich das zweite ebenfalls als Drehschwi.ngkörper ausgebildete Schwingungselement 4, 5. Das zweite Schwingungselement ist dabei vorzugsweise aus zwei

2> zylindrischen Massen 4 und 5 gebildet, die starr miteinander im Zentrum einer Membran 6 mit dieser verbunden sind. Ebenfalls wie das erste Schwingungselement 1, 2 ist auch der andere Drehschwingkörper in sich steif im Vergleich zu den mit diesen verbundenen

J» Membranen 3 bzw. 6. Demzufolge führt sowohl das Schwingungselement 1,2 als auch das Schwingungselement 4,5 eine Drehschwingung um eine Drehachse D 1 bzw. DI durch, die auf einem Durchmesser der entsprechenden Membran 3 bzw. 6 liegt.

J"> Wirken nun zum Beispiel in Richtung der eingezeichneten Pfeile Drehmomente auf die Schwingungselemente, so erfolgt eine Drehung aus der Ruhelage um die Drehachsen DX bzw. DI. Dabei werden die Membranen 3 bzw. 6 elastisch deformiert und üben rückstellende

■»ι) Drehmomente auf die Drehschwingkörper aus. Werden nun die Schwingungselemente losgelassen, so beginnt eine Schwingung um die jeweilige Ruhelage. Daß die Schwingung eines jeden Schwingungselements als Drehschwingung bezeichnet werden darf, ergibt sich

•Tj aus der Tatsache, daß jeder Punkt eines jeden Drehschwingkörpers von seiner Drehachse aus gesehen gleichzeitig um denselben Drehwinkel aus der Ruhelage ausgelenkt ist.

Die Resonanzfrequenz der beiden Schwingungsele-

"iii mente läßt sich nach der Formel berechnen:

Dabei ist / das Massenträgheitsmoment des jeweili-V) gen als Drehschwingkörper ausgebildeten Schwingungselements 1,2 bzw. 4,5 bezogen auf die Drehachse DX bzw. Dl und D* die Winkelrichtgröße der als Rückholfeder wirkenden Membran 3 bzw. 6. Die Schwingungselemente sind nun so dimensioniert, daß sie w) gleiche Resonanzfrequenz haben, was auf einfache Weise durch geeignete Wahl der Abmessungen der jeweiligen Teile der Schwingungselemente und der dazugehörigen Membranen möglich wird.

Die äußeren Ränder der Membranen 3 und 6 sind je tv> an einem Ende eines Rohrs 7 mit diesem verbunden. Werden nun die beiden Schwingungselemente 1, 2 bzw. 4,5 in einer gleichen Schwingungsebene in entgegengesetztem Drehsinn zu Schwingungen angeregt, so wirken

die durch die elastischen Deformationen der Membranen 3 und 6 verursachten Drehmomente auf das Rohr und kompensieren sich. Wird die Massenverteilung der beiden Drehschwingkörper so gewählt, daß ihre Schwerpunkte auf ihrer Drehachse D1 bzw. D 2 liegen, ^r> so bewegen sich die beiden Schwerpunkte während des Schwingungsvorgangs nicht, so daß auch der Schwerpunkt des ganzen Systems in Ruhe bleibt. Das Rohr 7 bildet deshalb auf seiner gesamten Länge den Schwingungsknoten des Schwingungssystems. ι ο

Mit einer Ringmembran 8 kann das Schwingungsgebilde an dem Rohr 7 in einem Einschraubstück 9 befestigt werden, Die schwingungstechnisch weiche Aufhängung mit der Ringmembran 8 soll verhindern, daß eine eventuell noch vorhandene Restschwingung auf dem Rohr 7 über das Einschraubstück 9 zur Behälterwandung 10 verlorengehen kann.

Als Schwingungsantriebssystem wird ein elektromagnetisches System vorgeschlagen. Dieses besteht aus einem magnetischen Anker 11, welcher in der Schwingungsebene seitlich an das Rohr 7 montiert ist. Das Rohr 7 wie die weiteren Elemente des Schwingungsgebildes, also die Schwingungselemente 1,2 und 4, 5 bestehen aus magnetisch nicht leitfähigem Material. Der Anker 11 weist zwei, vorzugsweise parallel 2 > zueinander verlaufende Schenkel auf, die auf die einander angrenzenden Teile der Schwingungselemente 1, 2 bzw. 4, 5 gerichtet sind. Die freien Enden der Schenkel werden dabei durch Bohrungen in der Wandung 7 hindurchgeführt und bis auf einen Abstand Jn von 1 bis 2 mm zu den Massen 1 und 5 der Drehschwingkörper herangeführt. Wie erwähnt, sind auch die Schwingungselemente 1, 2 bzw. 4, 5 aus magnetisch nicht leitfähigem Material hergestellt, dieses kann zum Beispiel Messing sein. Den freien Enden des ^ Ankers 11 gegenüberliegend sind in den beiden Schwingungselement-Teilen 1 bzw. 5 je ein magnetischer Pol 12 aus magnetisch weichem Material, zum Beispiel aus kohlenstoffarmen Stahl, eingelassen. Der magnetische Anker 11 und die beiden magnetischen Pole 12 bilden zusammen einen magnetischen Kreis.

Um den magnetischen Anker 11 liegt eine Spule 13. Fließt durch diese Spule ein pulsierender Gleichstrom, so werden die beiden Pole 12 und damit die beiden Teile 1 und 5 der Schwingungselemente im Rhythmus der Stromschwankung zum Anker 11 higezogen, das heißt, die beiden Drehschwinger werden in einer gemeinsamen Schwingungsebene zu Drehschwingungen mit entgegengesetztem Drehsinn angeregt. Als Schwingungsabgriffsystem eignet sich ebenfalls ein elektro- w magnetisches System besonders gut. Es wird auch in der Schwingungsebene liegend, wie das Antriebssystem, jedoch auf der gegenüberliegenden Seite an das Rohr 7 befestigt. Es besteht aus einem Stabmagneten 14, der an einem Ende am Drehschwingkörperteil 1 radial befestigt ist Das andere Ende des Stabmagneten ragt durch eine Bohrung 15 in dem Rohr 7 hindurch und taucht in eine Spule 16 ein.

Schwingen die Schwingungselemente 1,2 bzw. 4,5, se bewegt sich der Magnet 14 in der Spule 16 hin und her so daß in dieser eine Wechselspannung induziert wird Deren Frequenz ist gleich der Schwingungsfrequenz del Drehschwingkörper. Die Amplitude der Wechselspannung ist von der mechanischen Sch-vingungsamplitude des Schwingungselements 4, 5 abhängig. Die in dei Spule 16 induzierte Wechselspannung wird in einerr Verstärker 17 verstärkt und in einen pulsierender Gleichstrom verwandelt, um der Spule 13 wiedei zugeführt zu werden. Man erhält so ein rückgekoppeltes System. Ist die Frequenz dieses pulsierenden Stromes gleich der Resonanzfrequenz der beiden Drehschwinger, so erhält man eine maximale Schwingungsamplitude und damit auch eine maximal induzierte Spannung in der Spule 16. Mit anderen Worten, wird die größte Ringverstärkung des rückgekoppelten Systems bei der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungssystems erzielt.

Ist die Ringverstärkung größer als 1, so beginnt das System wie jeder bekannte Oszillator von selbst anzuschwingen, und zwar auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungsgebildes. Begrenzt werden die Schwingungsamplituden dadurch, daß der Verstärker übersteuert wird.

Wird der in den Behälterraum hineinragende Stab 2 von Füllgut bedeckt, so wird die Schwingung durch Energieentzug gedämpft. Dadurch kann ein am Ausgang des Verstärkers 17 angeschlossener Schwellwert-Diskriminator 18 zum Ansprechen gebracht werden, wodurch wiederum ein Relais 19 umschaltbar ist. Wird der Stab 2 durch Absenken des Füllstandes wieder frei, so schwingt das System wieder an, und der Schwellwert-Diskriminator 18 schaltet das Relais 19 wieder zurück. Da das mechanische Schwingungsgebilde fast keine Schwingungsenergie verliert, wenn es nicht in Füllgut eintaucht, muß die Antriebsleistung durch den Verstärker nur sehr gering sein, um das System anschwingen zu lassen und am Schwingen zu erhalten. Dadurch kann das System jedoch schon durch eine sehr geringe Dämpfung, wie sie durch sehr leichte Schüttgüter entsteht, zum Anzeigen bzw. Schalten gebracht werden. Das heißt, auch extrem leichte Schüttgüter können mit diesem Gerät kontrolliert werden.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß grundsätzlich Frequenzen von 50 Hz bis 1 kHz für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet sind. Besonders günstig sind jedoch Frequenzen von einigen 100 Hz und Schwingungsamplituden am Ende des in den Behälter ragenden Schwingungsstabes von einigen Zehnteln mm.

Das Gerät wird üblicherweise seitlich in der Höhe in die Behälterwandung montiert, in der der Füllstand kontrolliert werden soll. Es ist jedoch auch möglich, durch eine entsprechende Verlängerung von oben her das Gerät in den Behälter bis zu der Höhe hineinhängen zu lassen, in der der Füllstand kontrolliert werden soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem zumindest ein in den Behälter hineinragendes als Schwingstab ausgebildetes Schwingungselement aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenen Füllgut gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsgebilde (1,2,4,5, 3, 6, 7) zwei übereinander angeordnete Schwingungselemente (1, 2; 4, 5) aufweist, die als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und zur Bestimmung des Füllstandes in Schwingungen von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungselemente (1,2; 4,5) im Zentrum jeweils einer als Rückholfeder wirkenden Membran (3; 6) angeordnet sind, deren äußere Ränder über ein Rohr (7) starr miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt jedes Schwingungselements (1, 2; 4, 5) jeweils im Zentrum der entsprechenden Membran (3; 6) und auf der Drehachse (Dl; DT) des Schwingungselements (1, 2; 4,5) liegt.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsgebilde an dem Rohr (7) mit einer Ringmembran (8) in einem Einschraubstück (9) angeordnet ist, welches in die Wandung (10) des Behälters montierbar ist.

5. Vorrichtung nach zuminoest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsgebilde aus nicht magnetisierbarer! Material besteht.

6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsgebilde von einem elektromagnetischen Antriebssystem in Schwingungen versetzbar ist, welches aus einer vorzugsweise von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossenen, einen Anker (H) umgebenden Spule (12), dem Anker (II) und zwei magnetischen Polen besteht, von denen jeweils einer in einem der Schwingungselemente (1; 5) eingelassen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (U) zwei auf die Schwingungselemente (1, 2; 4, 5) ausgerichtete parallel oder nahezu parallel verlaufende Schenkel aufweist, deren freien Enden jeweils dem magnetischen Pol (12) in einem der Schwingungselemente (1; 5) zagewaiidt sind.

8. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen des Schwingungsgebildes von einem elektromagnetischen System abgre'fbar sind, das diametral zum Antriebssystem angeordnet ist und aus einem Stabmagneten (14) und einer zumindest einen Teil des Stabmagneten (14) umgebenden Spule (16) besteh!.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Stabmagnet (14) mit einem der Schwingungselemente (1, S) verbunden ist und bei Schwingungen des Schwingungsgebildes in der Spule hin- und herbewegbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 oder einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei schwingendem Schwingungsgebilde die in der Spule (16) des Abgriffsystems induzierte Spannung über einen Verstärker (17) als pulsierender Gleichstrom der Spule (13) des Antriebssystems zuführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (17) mit einem Schwellwert-Diskriminator (18) verbunden ist.