DE2933618C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenem Füllgut gedämpft werden und das zwei gegensinnig schwingende Drehschwinger annähernd gleicher Resonanzfrequenz umfaßt, von denen einer in den Behälter ragt, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen, wobei die Drehschwinger im Zentrum jeweils einer als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet sind und wobei der Schwerpunkt jedes Drehschwingers jeweils im Zentrum der entsprechenden Membran und auf der Drehachse des Drehschwingers liegt.

Eine derartige Vorrichtung ist in der älteren Anmeldung gemäß DE-OS 28 55 643 beschrieben. Diese Vorrichtung bietet mit einfachen Mitteln die Möglichkeit, den Füllstand in einem Behälter derart zu bestimmen, daß nahezu keine Schwingungsenergie zur Behälterwand übertragen wird, wobei gleichzeitig die Genauigkeit der Überwachung überaus präzise vorgenommen werden kann. Durch den Vorschlag, zwei Drehschwinger übereinander anzuordnen, wird insbesondere auch der Vorteil erzielt, daß die Einspannvorrichtung des Schwingungsgebildes nahezu keine Wechselkräfte aufnehmen müssen, so daß Schwingungsenergien an die Behälterwandung nur in vernachlässigbarem Umfang abgegeben werden. Das Feststellen leichter Füllgü­ ter ist gleichfalls ohne Schwierigkeiten möglich, da im Vergleich zu den Meßvorrichtungen in Form einer Stimmgabel, wie sie aus der DE-AS 17 73 815 bekannt ist, nicht die Meßfehler hervorrufende Ablagerung von Füllgut zwischen den Schwingungselementen der Stimmgabel auftreten kann.

Aus der DE-PS 5 82 760 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Schwingstab, der auf seiner Resonanzfrequenz zu Biegeschwingungen angeregt wird, in einen zu überwachenden Behälter ragt und dessen Schwingungen bei der Berührung mit dem Füllgut gedämpft werden, so daß durch diese Schwingungsänderung der Füllstand angezeigt werden kann. Diese Füllstandsmessung hat jedoch den Nachteil, daß der einzelne Schwingstab beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung und damit auf die Behälterwandung ausübt, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab auf die Behälterwandung abgeleitet wird. Die Leerlaufverluste des Schwingungsgebildes, das sind die Schwingungsenergieverluste, 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 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. Ähnliche Einstab-Systeme mit gleichen Nachteilen sind aus US-PS 35 85 457, der DE-PS 6 23 103 und FR-PS 11 62 312 bekannt.

Aus der US-PS 33 49 604 ist eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstands in einem Behälter bekannt, die einen zu Biegeschwingungen angeregten Stab enthält, dessen eine Hälfte in den Behälter ragt, während die andere Hälfte außerhalb des Behälters mit einer Kraftübertragungseinrichtung und einer Schwingungs­ meßeinrichtung in Verbindung steht. Die außerhalb des Behälters angeordnete Hälfte des Stabs ragt in ein Gehäuse, in dem sich die elektromagnetisch arbeitende Kraftübertragungseinrichtung und die Schwingungsmeßvorrichtung befinden. Das Gehäuse ist T-förmig ausgebildet. Es enthält einen röhrenförmigen Abschnitt, der an seinem Ende fest im Behälter angeordnet ist. Die in das Gehäuse ragende Hälfte des Stabs ist ebenfalls T-förmig ausgebildet, wobei an den T-förmigen Enden jeweils Magnettanker sitzen, die je von einer Spule zur Kraftübertragung und einer Spule zur Schwingungsmessung umgeben sind. Der Stab weist einen massiv ausgebildeten Teil und einen hohlzylindrischen Teil auf, der sich im Behälter befindet. Der hohlzylindrische Teil ist ebenso wie das Gehäuse an der Behälterwand befestigt, wobei das Gehäuse und der hohlzylindrische Teil von einander entgegengesetzten Stellen der Behälterwand vorspringen. Der massive Teil des Stabs erstreckt sich eine bestimmte Strecke innerhalb des hohlzylindrischen Teils und ist an seinem Ende mit der Innenwand des hohlzylindrischen Teils verbunden. Der hohlzylindrische Teil umgibt im Abstand konzentrisch den in seinem Inneren verlaufenden Abschnitt des massiven Teils. Das Gehäuse ist so ausgebildet, daß es in etwa die gleiche Resonanzfrequenz hat wie der Stab. Auf diese Weise sollen sich die vom Stab und vom Gehäuse auf die Verbindungsstelle an der Behälterwand ausgeübten Drehmomente gegenseitig aufheben. Der Einfluß der Verbindungsstelle auf die Meßgenauigkeit wird hierdurch zwar vermindert, aber um bei dieser bekannten Vorrichtung in etwa gleiche Resonanzfrequenzen zwischen Stab und Gehäuse zu erreichen, muß das Gehäuse mit Zusatzgewichten versehen und der röhrenförmige Abschnitt verlängert werden. Die außerhalb des Behälters liegenden Teile der Vorrichtung beanspruchen daher relativ viel Raum.

Die DE-AS 11 71 646 beschreibt ein stimmgabelähnliches Stabschwungsystem mit zwei in das Füllgut ragenden Zinken, deren freie Enden mit einem Paddel verbunden sind. Damit haften diesem System die oben geschilderten Nachteile des Anhaftens des zu messenden Füllguts wie bei der DE-AS 17 73 815 an, und der Antrieb benötigt viel Platz, ähnlich wie nach der US-PS 33 49 604.

Aus der DE-OS 22 09 260 und der dazugehörigen Zusatzanmeldung 25 29 239 ist eine Fahne als in das Füllgut ragender Schwinger bekannt, wobei eine großflächige Membranfeder einerseits die schwingende Fahne stützt und andererseits den Antrieb für die Fahne gegen das Füllgut abdichtet. Auch hierbei fließt sehr viel der Schwingungsenergie in das Aufhängungs- und Kapselsystem ab, was die Meßgenauigkeit beeinträchtigt.

Aus der GB-PS 10 13 186 ist schließlich eine V-förmige Detektorsonde bekannt. Diese Meßeinrichtung läßt die Einspannprobleme ungelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß sie eine möglichst kompakte Bauweise hat und an beliebigen Stellen in einer Behälterwand angebracht werden kann, ohne daß die Genauigkeit der Überwachung durch die in die Behälterwand abwandernde Energie verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen wird der Vorteil beibehalten, daß nur ein Element nämlich ein Drehschwinger benötigt wird, der in unmittelbaren Kontakt mit dem zu überwachenden Füllgut gelangt, ohne daß der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung ausgeübt werden. Durch das teilweise Umfassen des gegenschwingenden Elements wird der weitere Vorteil erzielt, daß die Abmessungen der Vorrichtung erheblich verringert werden können, wodurch die Aufgabe, eine kompakte Bauweise einer Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter zur Verfügung zu stellen, gelöst wird.

In Ausgestaltung der Erfindung ragt der in den Behälter hineinragende erste Drehschwinger in eine in dem zweiten Drehschwinger vorhandene Ausnehmung hinein. Alternativ dazu kann der in den Behälter hineinragende erste Drehschwinger eine Ausnehmung aufweisen, in die der zweite Drehschwinger hineinragt.

Vorzugsweise sind die Drehschwinger jeweils im Zentrum einer als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet, deren Ebene im Ruhezustand senkrecht zu der Achse des entsprechenden Schwingungselementes verläuft, wobei die äußeren Ränder der Membran über ein rohrförmiges Element starr miteinander verbunden sind. Dabei sind die Drehschwinger derart ausgewählt, daß von diesen hervorgerufenen Drehmomente, die auf das Rohr wirken, auf diesem kompensiert werden.

Damit der Schwerpunkt des gesamten Schwingungsbildes bei schwingendem System in Ruhe bleibt, liegt der Schwerpunkt eines jeden Drehschwingers vorzugsweise im Zentrum der entsprechenden Membran auf der Drehachse des Drehschwingers. Dadurch bildet das gesamte Rohr den Schwingungsknoten des Schwingungsgebildes. Vorzugsweise wird das aus den Drehschwingern, der Membran und dem rohrförmigen Element sich zusammensetzende Schwingungsgebilde mit einer Ringmembran in ein Einschraubstück eingehängt, mit dem die Vorrichtung in die Wandung des Behälters montiert wird, in dem der Füllstand kontrolliert werden soll.

Bei der zuerst aufgezeigten Möglichkeit zur Ausgestaltung der Erfindung besteht der erste Drehschwinger vorzugsweise aus einem Vollzylinder, der starr mit einem Hohlzylinder verbunden ist, dessen freies (unteres) Ende zur Bildung eines Paddels flach gequetscht ist. Dieses Paddel gelangt mit dem zu überprüfenden Füllgut in Berührung, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird.

Der zweite koaxial zum ersten Drehschwinger angeordnete Drehschwinger besteht vorzugsweise aus zwei starr miteinander verbundenen - einem oberen und einem unteren - Zylindern, die eine durchgehende Bohrung zur Aufnahme des oberen Teils des Vollzylinders des ersten Drehschwingers aufweisen. Die zwei Zylinder sind vorzugsweise im Zentrum der Membran über einen gegenüber den zwei Zylindern einen geringeren Durchmesser aufweisenden, gleichfalls mit einer Bohrung versehenen dritten Zylinder starr miteinander verbunden.

Als Schwingungsantriebssystem wird ein elektromagnetisches System bevorzugt. Zu diesem Zweck ist in dem oberen Zylinder des zweiten Drehschwingers eine Spule eingelassen, die von einem einen magnetischen Anker darstellenden Rohr umgeben ist, welches gleichzeitig die Umfangsfläche des oberen Zylinders bildet. Da die Spule fest in dem oberen Drehschwinger eingebaut ist, bestimmt sie das Massenträgheitsmoment mit. Als Folge davon wird sowohl das Gewicht als auch der Raumbedarf des Schwingungsgebildes wesentlich verringert. Das die Spule umgebende Rohr besteht aus magnetisch weichem Material. Zwei Stifte aus magnetisch weichem Material bilden die Pole und deren in die Spule hineinragende Abschnitte des ersten Drehschwingers, welcher gleichfalls aus magnetisch weichem Material aufgebaut ist, bilden das Joch des magnetischen Kreises des Antriebssystems.

Zum Betreiben des Schwingungsgebildes wird der Spule ein pulsierender Gleichstrom zugeführt. Als Schwingungsabgriffsystem dient vorzugsweise ein piezoelektrisches Element in Form eines Plättchens, welches auf der als Rückholfeder wirkenden Membran des ersten Drehschwingers befestigt ist. Selbstverständlich kann das piezoelektrische Element durch einen bekannten Dehnungsmeßstreifen, der gleichfalls auf der Membran angeordnet ist, ersetzt werden. Sowohl das piezoelektrische Element als auch der Dehnungsmeßstreifen weisen die Vorteile auf, daß nur ein geringer Raum beansprucht wird, daß das Gewicht gering ist und sowohl eine elektrische als auch mecha­ nische Robustheit gewährleistet ist. Das vom Schwingungsabgriffsystem erzeugte elektrische Signal wird in einem Verstärker in pulsierenden Gleichstrom gewandelt, der - wie erwähnt - durch die Spule des Antriebssystem fließt. Durch diese Maßnahmen wird das Schwingungssystem auf seiner Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt, wenn der in den Behälter hineinragende Drehschwinger mit dem Füllgut in Berührung gelangt. Am Ausgang des Verstärkers ist ein Schwellwert-Diskriminator angeschlossen, der den Schwingungszustand und damit den Füllstand anzeigt.

Nach der zuvor beschriebenen alternativen Möglichkeit zur Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Drehschwinger als Hohlzylinder ausgebildet, der mit seinem Ende mit der Membran verbunden ist und dessen unteres Ende zur Bildung eines Paddels flach gequetscht ist, um gleiche Empfindlichkeiten zur Feststellung des Füllstandes zu erzielen. Der zweite Drehschwinger ist vorzugsweise ein Vollzylinder, dessen unteres Ende in den Hohlzylinder hineinragt. Vorzugsweise ist dabei der Vollzylinder im Bereich der oberen Hälfte mit der dazugehörigen Membran in deren Zentrum verbunden.

Vorzugsweise sind die Drehschwinger hinsichtlich ihrer Massen derart aufgebaut, daß der Schwerpunkt eines jeden Drehschwingers im jeweiligen Drehpunkt, d. h. im Zentrum der zugehörigen Membran liegt, so daß der Schwerpunkt des Gesamtsystems beim Schwingungsvorgang in Ruhe bleibt, um zu verhindern, daß Schwingungsenergie auf die Behälterwandung übertragen wird.

Insbesondere bei der Ausgestaltung der Erfindung nach der alternativen Ausgestaltungsform ist jedoch die Möglichkeit gegeben, daß die Schwerpunkte der beiden Drehschwinger auch deshalb des jeweiligen Drehpunktes liegen können.

Durch die Verschiebung der Schwerpunkte wird vorteilhafterweise eine weitere Vereinfachung und Verkleinerung des Schwingungsgebildes geschaffen, ohne daß man Gefahr laufen muß, daß das Gesamtsystem hinsichtlich seines Schwerpunktes während des Schwingungsvorganges schwingt. Um diesen Vorteil zu erzielen, muß die Auslenkung des Schwerpunktes des jeweiligen Drehschwingers aus seiner Ruhelage multipliziert mit seiner Masse gleich dem entsprechenden Produkt des zweiten Drehschwingers sein.

Durch eine geeignete Verteilung der Massen der Drehschwinger vor und hinter der entsprechenden Membran läßt sich ohne Schwierigkeiten der Schwerpunkt der jeweiligen Drehschwinger so verschieben, daß die aufgezeigte Bedingung erfüllt wird. Selbstverständlich kann die Verschiebung der Schwerpunkte der Drehschwinger außerhalb der Ebene der Membran auch bei der ersten Ausgestaltungsform erfolgen.

Als Schwingungsantriebssystem und als Schwingungsabgriffsystem eignen sich vorzugsweise piezoelektrische Systeme. Dazu kann das die äußeren Ränder der beiden Membranen verbindende Rohr quer zur Achse geteilt sein. Zwei piezoelektrische Elemente sind zwischen den Abschnitten in der Schwingungsebene liegend so zwischen die beiden Rohrstücke einzuklemmen, daß eines der beiden piezoelektrischen Elemente als Schwingungsantriebssystem und das andere als Schwingungsabgriffsystem dient.

Ein zwischen den Systemen angeordneter Verstärker sorgt dafür, daß das System schwingt, wenn der in den Behälter ragende Stab vom Füllgut nicht bedeckt ist, und das System gedämpft wird, wenn der in den Behälter ragende Stab mit dem Füllgut in Berührung gelangt. Ein Schwellwert-Diskriminator am Ausgang des Verstärkers signalisiert den Schwingzustand und damit den Füllstand.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung zu entnehmen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Drehschwingers, welcher in einen Behälter hineinragt,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4, jedoch um 90° gedreht.

Der Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen. Diese besteht aus zwei Drehschwingern 10 und 12, die koaxial zueinander und zumindest teilweise sich im Abstand zueinander umfassend angeordnet sind. Der Drehschwinger 10 setzt sich aus einem Vollzylinder 14 in Form eines Stabes und einem Hohlzylinder 16 in Form eines rohrförmigen Teiles zusammen. Dabei ist das rohrförmige Teil 16 dem Behälterinneren zugewandt und ragt in diesen hinein. Der Stab 14 und der rohrförmige Teil 16 sind im Zentrum einer Membran 18 starr miteinander verbunden. Das in den Behälterraum ragende Ende des rohrförmigen Teils 16 ist quer zur Schwingungsrichtung, die durch den Pfeil angedeutet ist, flach gequetscht, wodurch die wirksame Fläche vergrößert und als Folge davon eine Empfindlichkeitssteigerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht wird. Durch die rohrförmige Ausgestaltung des unteren Abschnitts 16 des Drehschwingers 10 ist erkennbar das Flachquetschen erheblich erleichtert. In der Fig. 3 ist in Seitenansicht der rohrförmige Teil 16 zur Verdeutlichung dargestellt. Der Drehschwinger 10 ist im Vergleich zur Membran 18 in sich steif. Wirkt nun zum Beispiel auf den Drehschwinger 10 in Pfeilrichtung ein Drehmoment, so wird es um eine Drehachse D₁ aus seiner Ruhelage bewegt. Der Drehschwinger 10 bleibt dabei in sich formstabil. Die Membran 18 wird elastisch deformiert und übt ein rückstellendes Drehmoment auf den Drehschwinger 10 in Form des Drehschwingkörpers aus. Wird der Drehschwinger 10 losgelassen, so beginnt er um seine Ruhelage zu schwingen. Da jeder Punkt des Drehschwingers 10 von der Drehachse D₁ aus gesehen gleichzeitig um denselben Drehwinkel aus der Ruhelage ausgelenkt wird, handelt es sich um eine reine Drehschwingung um die Drehachse D₁, die auf einem Durchmesser der Membran 18 liegt. Der zweite Drehschwinger 12 besteht aus den Zylindern 20 und 22, die über einen dritten, gegenüber den Zylindern 20 und 22 einen geringeren Durchmesser aufweisenden dritten Zylinder 24 starr miteinander verbunden sind, wobei letzterer im Zentrum einer Membran 26 angeordnet ist.

Durch die Zylinder 20, 22, 24 führt eine axiale Ausnehmung in Form vorzugsweise einer durchgehenden Bohrung, in die der stabförmige Abschnitt 14 des ersten Drehschwingers hineinragt. Auch der zweite Drehschwinger 12 ist im Vergleich zur Membran 26 in sich steif, so daß bei einer entsprechenden Anregung eine Drehschwingung um eine Drehachse D₂ erfolgt, die auf einem Durchmesser der Membran 26 liegt.

Die Resonanzfrequenz der beiden Drehschwinger ist abhängig vom Massenträgheitsmoment des jeweiligen Drehschwingkörpers und von der Winkelrichtgröße der als Rückholfeder wirkenden dazugehörigen Membran.

Die Drehschwinger sind so dimensioniert, daß sie jeweils die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. Durch geeignete Wahl der Abmessungen der jeweiligen Drehschwinger 10, 12 und der dazugehörigen Membran 18, 26 ist dies ohne Schwierigkeiten zu bewerkstelligen.

Die äußeren Ränder der Membran 18, 26 sind je an einem Ende eines Rohres 28 mit diesem verbunden. Werden die beiden Drehschwinger zu Schwingungen entgegengesetzten Drehsinns, jedoch in der gleichen Drehebene, angeregt, so wirken die durch die elastische Deformation der Membranen 18, 26 verursachten Drehmomente auf das Rohr 28 und kompensieren sich. Wird die Massenverteilung der beiden Drehschwinger so gewählt, daß ihre Schwerpunkte je auf ihrer Drehachse D₁ bzw. D₂ liegen, so bewegen sich die beiden Schwerpunkte während des Schwingungsvorganges nicht, so daß auch der Schwerpunkt des gesamten Systems nicht schwingt. Das Rohr 28 bildet deshalb auf seiner gesamten Länge den Schwingungsknoten des Schwingungssystems. Mit einer Ringmembran 30 wird das Schwingungssystem an dem Rohr 28 in einem Einschraubstück 32 befestigt. Die schwingungstechnisch weiche Aufhängung der Ringmembran 30 soll verhindern, daß eine eventuell noch vorhandene Restschwingung auf dem Rohr 28 über das Einschraubstück 32 zu einer Behälterwandung 34 verloren gehen kann.

Als besonders vorteilhaft hat sich als Schwingungsantriebssystem ein elektromagnetisches System gezeigt. Dazu ist eine Spule 34 in den oberen Zylinder 20 fest eingebaut. Die Spule 34 ist von einem Rohr 36 umgeben. Das Rohr 36 besteht aus magnetisch weichem Material und dient als magnetischer Anker. Als magnetische Pole dienen zwei Stifte 38 aus magnetisch weichem Material. Die Stifte 38 sind unter- und oberhalb der Spule 34 in der Schwingungsebene radial in dem Zylinder 20 eingelassen und reichen von dem äußeren Rohr 36 bis zur axialen Bohrung. Die Stifte 38 als magnetische Pole leiten das magnetische Feld der Spule 34 über einen Luftspalt zu dem Vollzylinder 14 des ersten Schwingungselementes 10, der zumindest im Bereich der Spule 34 aus magnetisch weichem Material besteht. Das Rohr 36, die Pole 38 und der stabförmige Abschnitt 14 des ersten Drehschwingers 10 bilden einen magnetischen Kreis. Das Rohr 36, die Pole 38 und die Spule 34 stellen - wie erwähnt - ein Teil der Drehschwingmasse des oberen Zylinders 20 des zweiten Drehschwingers 12 dar, tragen so mit ihrer Masse zum Massenträgheitsmoment bei und bilden gleichzeitig das Schwingungsantriebssystem. Durch diese doppelte Funktion wird eine kompaktere Bauweise bei gleichzeitiger Verringerung des Gewichts der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnen. Die Anschlußdrähte für die Spule 34 werden nahe der Membran 26, d. h. am Schwingungsknoten herausgeführt, so daß das Schwingungssystem durch die Anschlußdrähte nicht gedämpft werden kann.

Fließt durch die Spule 34 ein pulsierender Gleichstrom, so wird der Drehschwinger 10 im Rhythmus der Stromschwankungen zu den Polen 38 hingezogen, d. h. die beiden Drehschwinger 10 und 12 werden in einer gemeinsamen Schwingungsebene zu Drehschwingungen mit entgegenge­ setztem Drehsinn angeregt. Als Schwingungsabgriffsystem dient vorzugsweise ein piezoelektrisches Keramikplättchen 40, das in der Schwingungsebene auf der Membran 18 angeordnet, vorzugsweise aufgeklebt, ist. Durch die periodische Deformation der Membran 18 beim Schwingungsvorgang wirken entsprechende Kräfte auf das piezoelektrische Plättchen 40, so daß dies ein Wechselspannungssignal abgibt, das in Amplitude und Frequenz der mechanischen Schwingungsamplitude des Schwingungssystems und dessen Frequenz entspricht. Die periodische Deformation der Membran 18 kann auch durch einen nicht dargestellten Dehnungsmeßstreifen abgegriffen werden, der in bekannter Weise auf der Membran 18 befestigt sein kann. Man erhält dann eine periodische Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens, die elektronisch in ein Wechselspannungssignal wandelbar ist. Beide Möglichkeiten für einen Schwingungsabgriff bieten den Vorteil, daß nur ein geringer Raum beansprucht wird, daß ihr Gewicht gering ist und daß sie sowohl elektrisch als auch mechanisch sehr robust und außerdem preiswert sind. Das Schwingungsabgriffsystem wird - wie erwähnt - auf der Membran 18 montiert, also auf der Membran des Drehschwingers 10, dessen unterer Teil 16 in den Behälterraum hineinragt und bei Berührung mit dem Füllgut gedämpft wird. Eine Dämpfung wirkt somit direkt auf das Schwingungsabgriffsystem und bewirkt dadurch eine besonders schnelle und sichere Dämpfung des gesamten Systems.

Schwingt das Schwingungsgebilde, so wird von dem Schwingungsabgriffsystem 40 ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Frequenz gleich der Schwingungsfrequenz des Drehschwingers 10 und dessen Amplitude proportional zu der mechanischen Schwingungsamplitude des Drehschwingers 10 ist. Dieses elektrische Signal wird einem Verstärker 42 zugeführt, in diesem verstärkt und in einen pulsierenden Gleichstrom gewandelt, der der Spule 34 zugeführt wird. Es liegt somit ein rückgekoppeltes System vor. Ist die Frequenz dieses pulsierenden Stromes gleich der Resonanzfrequenz der beiden Drehschwinger 10, 12, so wird eine maximale Schwingungsamplitude und damit eine maximale Amplitude des elektrischen Signals vom Schwingungsabgriffsystem 40 erhalten. In diesem Fall ist die größte Ringverstärkung des rückgekoppelten Systems bei der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems erreicht. Ist die Ringverstärkung größer als 1, so beginnt das System wie jeder bekannte Oszillator von selbst zu schwingen, und zwar auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungsgebildes. Begrenzt werden die Schwingungsamplituden dadurch, daß der Verstärker 42 übersteuert wird. Wird der in den Behälterraum hineinragende Abschnitt 16 des Drehschwingers 10 vom Füllgut bedeckt, so wird die Schwingung durch Energieentzug gedämpft. Dadurch spricht ein dem Verstärker 42 nachgeschalteter Schwellwert-Diskriminator 44 an, wodurch wiederum ein dem Schwellwert-Diskriminator 44 nachfolgendes Relais 46 umschaltbar ist. Wird der untere Abschnitt des Drehschwingers 10 in Form eines Paddels durch Absenken des Füllstandes wieder frei, so schwingt das System wieder an und der Schwellwert-Diskriminator 44 schaltet das Relais 46 zurück. Da das mechanische Schwingungsgebilde erkennbar kaum Schwingungsenergie verliert, sofern es nicht in das Füllgut eintaucht, muß die Antriebsleistung durch den Verstärker sehr gering sein, um das System anschwingen zu lassen und die Schwingung aufrecht zu erhalten. Dadurch kann das System jedoch schon durch eine sehr geringe Dämpfung, wie sie zum Beispiel durch sehr leichte Schüttgüter hervorgerufen wird, zum Ansprechen gebracht werden, d. h. auch extrem leichte Schüttgüter können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kontrolliert und überwacht werden.

In den Fig. 4 und 5 ist eine alternative Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Lehre wiedergegeben. Die Fig. 4 stellt einen Schnitt in der Schwingungsebene, die Fig. 5 einen Schnitt senkrecht zur Schwingungsebene dar.

Ein in einen Behälterraum hineinragende Drehschwinger 48 ist als Hohlzylinder, also rohrförmig ausgebildet und an seinem unteren freien Ende quer zur Schwingungsrichtung flach gequetscht. Mit seinem anderen oberen Ende ist er zentrisch in einer als Rückholfeder wirkenden Membran 50 befestigt, wobei im Ruhezustand die Ebene der Membran 50 senkrecht zur Achse des Drehschwingers 48 verläuft. Sofern der Drehschwinger 48 eine Schwingung ausübt, so erfolgt diese um eine Drehachse D₁, die auf einem Durchmesser der Membran 50 liegt. Ein zweiter Drehschwinger 52 in Form eines Vollzylinders oder eines Stabes ragt mit seinem freien Ende in die Ausnehmung des Hohlzylinders des ersten Drehschwingers 48. Vorzugsweise in der oberen Hälfte des zweiten Drehschwingers 52 ist dieses zentrisch in einer gleichfalls als Rückholfeder wirkenden Membran 54 befestigt. Sofern der Drehschwinger 52 Schwingungen durchführt, erfolgen diese um eine Drehachse D₂, die gleichfalls auf einem Durchmesser der Membran 54 liegt. Die äußeren Ränder der Membranen 50 und 54 sind über ein Rohr 56 miteinander verbunden. Durch geeignete Abmessungen weisen die Drehschwinger 48 und 52 die gleiche Resonanzfrequenz auf. Damit das aus den Drehschwingern 48, 52 den Membranen 50, 54 und dem Verbindungsrohr 56 sich zusammensetzende Schwingungsgebilde beim Schwingungsvorgang einen in Ruhe befindlichen Schwerpunkt aufweist, muß in geeigneter Weise die Massenverteilung des Drehschwingers 52 unter- und oberhalb der Membran 54 gewählt werden.

Es ist nämlich nicht erforderlich, daß die Schwerpunkte eines jeden Drehschwingers 48, 52 mit der Drehachse D₁ bzw. D₂ zusammenfallen. Dies ist der Fig. 1 zu entnehmen. Ein Schwingungselement DS₁ ist als rohrförmiger Drehschwingkörper ausgebildet und weist die Masse m₁ auf. Die Auslenkung aus der Ruhelage ist mit dem Winkel α₁ gekennzeichnet. Gleichzeitig wird dabei der zugehörige Schwerpunkt S₁ um die Strecke L₁ ausgelenkt.

Ein zweites Schwingungselement in Form eines stabförmigen Drehschwingkörpers DS₂ mit der Masse m₂ soll oberhalb des ersten Schwingungselements DS₁ koaxial zu diesem angeordnet und um einen Winkel α₂ aus seiner Ruhelage bewegt sein. Dabei wird sein Schwerpunkt S₂ um die Strecke L₂ ausgelenkt. Der stabförmige Drehschwingkörper DS₂ soll des weiteren in den Drehschwingkörper DS₁ hineinragen und ein kleineres Massenträgheitsmoment aufweisen. Unter der Voraussetzung, daß beide Schwingungselemente DS₁ und DS₂ die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, muß die Winkelrichtgröße des Schwingungselements DS₂ entsprechend kleiner sein als die des Schwingungselements DS₁. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz eines Drehschwingers vom Massenträgheitsmoment und von der Winkelrichtgröße ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei f gleich Frequenz, D gleich Winkelrichtgröße und J gleich Massenträgheitsmoment bedeuten.

Die Bedingung dafür, daß der Schwerpunkt des gesamten Schwingungssystems in Ruhe bleibt, ist die folgende:

m₁ × L₁ = m₂ × L₂

Bei gegebenem Schwingungselement DS₁ mit bestimmten Werten für die Frequenz, das Massenträgheitsmoment, der Winkelrichtgröße, der Masse des Schwingkörpers sowie des Abstandes des Schwerpunktes vom Drehpunkt und Auslenkungswinkel lassen sich die entsprechenden Werte für das Schwingungselement DS₂ berechnen. Durch geeignete Verteilung der Massen der Drehschwinger DS₁ und DS₂, insbesondere der Massenverteilung des Drehschwingkörpers DS₂ vor und hinter der zugehörigen Membran, läßt sich der Schwerpunkt des Drehschwingkörpers so verschieben, daß die obige Bedingung eingehalten wird. Auf diese Weise kann das Schwingungssystem noch wesentlich kompakter und preiswerter aufgebaut sein.

Werden nun die Drehschwinger 48, 52 nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 entsprechend den zuvor aufgezeigten Bedingungen durch geeignete Wahl der Abmessungen auf gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und zu Schwingungen im entgegengesetzten Drehsinn jedoch in gleicher Schwingungsebene angeregt, so kompensieren sich die Drehmomente der beiden Drehschwinger 48 und 52 auf dem Verbindungsrohr 56, so daß dieses auf seiner ganzen Länge den Knoten des Schwingungssystems bildet. Die Ringmembran 58 ist mit einem Einschraubstück 60 verbunden.

Zum Schwingungsantrieb und -abgriff sind piezoelektrische Systeme vorgesehen. Das Rohr 56 ist zur Aufnahme von piezoelektrischen Elementen 62 quer zu seiner Achse geteilt. Die beiden Teile sind gemäß Fig. 5 über zwei Schraubverbindungen 64 miteinander verbunden. Die Verschraubungsstellen liegen auf einem Durchmesser des Rohres 56, der senkrecht zur Schwingungsebene liegt. Zwei Distanzscheiben 66 sorgen für einen Spalt zwischen den beiden Abschnitten des Rohres 56. In der Schwingungsebene auf dem Durchmesser des Rohres 56 sind zwischen den beiden Abschnitten des Rohres 56 diametral gegenüber jeweils zwei piezoelektrischen Keramikscheiben zur Bildung jeweils eines piezoelektrischen Wandlerpaares 62 angeordnet. Zwischen den piezoelektrischen Keramikscheiben befindet sich jeweils eine dünne Metallfolie als Elektrode 68. Die zweite Elektrode der piezoelektrischen Wandlerpaare 62 wird durch die voneinander getrennten Abschnitte des Rohres 56 gebildet, die über die Schrauben 64 elektrisch miteinander verbunden sind. Somit sind die beiden piezoelektrischen Keramikscheiben eines jeden Wandlerpaares elektrisch parallel geschaltet, während sie mechanisch in Serie liegen.

Wird an ein piezoelektrisches Wandlerpaar 62 eine Wechselspannung angelegt, so wird der Wandler im Rhythmus der Wechselspannung dicker bzw. dünner und regt so über die äußeren Ränder der beiden Membranen 50, 54 die beiden Drehschwinger 48, 52 zu gegensinnigen Drehschwingungen um ihre jeweiligen Drehachsen D₁ bzw. D₂ an.

Das zweite piezoelektrische Wandlerpaar 62, das sich in der gegenüberliegenden Seite des Rohres 56 befindet, ist entsprechend dem ersten Wandlerpaar aufgebaut und gibt eine Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz und der Amplitude der mechanischen Schwingung ab. Das Ausgangssignal wird bekannterweise einem elektronischen Verstärker 70 zugeführt und von diesem verstärkt, um dem ersten piezoelektrischen Wandlerpaar 62 zugeführt zu werden. Somit erhält man ein rückgekoppeltes System, das - wie erwähnt - wie ein üblicher Oszillator schwingt, wenn die Ringverstärkung größer als 1 ist. Wie bei der zuerst beschriebenen Ausgestaltungsform gilt auch hier, daß das System automatisch auf der mechanischen Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers schwingt. Wird der in dem Behälter hineinragende Drehschwinger 48 vom Füllgut bedeckt, so erfolgt eine Dämpfung der Schwingung, wodurch ein dem Verstärker nachgeschalteter Schwellwert-Diskriminator 72 anspricht, der wiederum ein Relais 74 umschalten läßt. Nach Absinken des Füllstandes wird das untere Ende des Drehschwinger 48 wieder frei, so daß das System wieder anschwingt und der Schwellwert-Diskriminator 72 das Relais 74 zurückschaltet. Durch die Anordnung der piezoelektrischen Wandler zwischen den Rohrabschnitten ist zwar nicht hundertprozentig die Bedingung erfüllt, daß das gesamte Rohr 46 einen Schwingungsknoten des Systems bildet. Aufgrund der hohen Güte des Schwingungssystems und der daraus resultierenden großen Resonanzüberhöhung sind die kleinen, von den piezoelektrischen Wandlern kommenden Schwingungsamplituden jedoch vernachlässigbar und die Aufhängung des Schwingungssystems mit der Ringmembran 58 kann ohne Verringerung der Empfindlichkeit an dem Rohr 56 vorgenommen werden.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenem Füllgut gedämpft werden und das zwei gegensinnig schwingende Drehschwinger annähernd gleicher Resonanzfrequenz umfaßt, von denen einer in den Behälter ragt, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen, wobei die Drehschwinger im Zentrum jeweils einer als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet sind und wobei der Schwerpunkt jedes Drehschwingers jeweils im Zentrum der entsprechenden Membran und auf der Drehachse des Drehschwingers liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwinger (10, 12; 48, 52) koaxial und zumindest teilweise sich im Abstand zueinander umfassend angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Behälter hineinragende erste Drehschwinger (10) in eine in dem zweiten Drehschwinger (12) vorhandene Ausnehmung hineinragt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Behälter hineinragende erste Drehschwinger (48) eine Ausnehmung aufweist, in die der zweite Drehschwinger (52) hineinragt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Membranen (18, 26; 50, 54) in Ruhestellung senkrecht zu den Symmetrie-Achsen der Drehschwinger (10, 12; 48, 52) verlaufen und die äußeren Ränder der Membranen über ein rohrförmiges Element (28; 56) starr miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Drehschwinger (10) aus einem Vollzylinder (14) besteht, der starr mit einem Hohlzylinder (16) verbunden ist, dessen freies unteres Ende als flaches Paddel ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehschwinger (12) aus zwei starr miteinander verbundenen Zylindern (20, 22) besteht, die eine durchgehende Bohrung zur Aufnahme des oberen Teils des Vollzylinders (14) des ersten Drehschwingers (10) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Zylinder (20, 22) im Zentrum der Membran (26) über einen einen gegenüber den zwei Zylindern geringeren Durchmesser aufweisenden, gleichfalls mit der durchgehenden Bohrung versehenen dritten Zylinder (24) starr miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Zylinder (20) für ein elektromagnetisches Schwingungsantriebssystem eine Spule (34) eingelassen ist, die von einem einen magnetischen Anker darstellenden Rohr (36) umgeben ist, das gleichzeitig die Umfangsfläche des oberen Zylinders (20) bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Zylinder (20) radial in seiner Schwingungsebene von zwei die Spule (34) umgebenden stabförmigen Elementen (38) in Form von Stiften aus magnetisch weichem Material zwischen dem Rohr (36) und der Ausnehmung durchdrungen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollzylinder (14) des ersten Drehschwingers (10) zumindest im Bereich der Spule (34) aus weichmagnetischem Material besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (36), die als magnetische Pole wirkenden stabförmigen Elemente (38) sowie der Vollzylinder (14) einen magnetischen Kreis darstellen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (34) mit einem pulsierenden Gleichstrom beaufschlagt ist, der von einem auf der Membran (18) des ersten Drehschwingers (10) befestigten piezoelektrischen Element (40) oder Dehnungsmeßstreifen gewonnenen elektrischen Signal ableitbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal einem Verstärker (42) zuführbar ist, um dieses zum einen der Spule (34) und zum anderen einem Schwellwert-Diskriminator (44) zuzuführen, welchem ein Schaltorgan (46) zum Feststellen und/oder Kontrollieren des Füllstandes in dem Behälter nachgeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Drehschwinger (48) ein Hohlzylinder ist, der mit seinem oberen Ende mit der Membran (50) verbunden ist und dessen unteres Ende als flaches Paddel ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehschwinger (52) ein Vollzylinder ist, dessen unteres Ende in den Hohlzylinder (48) hineinragt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollzylinder (52) im Bereich der oberen Hälfte mit der zugehörigen Membran (54) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die äußeren Ränder der Membranen (50, 54) verbindende Element (56) ein Rohr ist, das in einen unteren und in einen oberen Abschnitt unterteilt ist, wobei zwischen den Abschnitten jeweils zwei piezoelektrische Elemente zur Bildung von piezoelektrischen Wandlerpaaren (62) diametral zueinander angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal des einen piezoelektrischen Wandlerpaares einem Verstärker (70) zuführbar ist, dessen Ausgangssignal sowohl dem anderen piezoelektrischen Wandler als auch einem Schwellwert-Diskriminator (42) mit nachgeordneter Schaltvorrichtung (74) zuführbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den Drehschwingern (10, 12; 48, 52), den Membranen (18, 26; 50, 54) und den deren Ränder verbindenden Elementen (28; 56) herrührende Schwerpunkt des Gesamtsystems beim Schwingungsvorgang ruht.