-
Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines
-
bestimmten Füllstandes in einem Behälter Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes
eines Füllgutes in einem Behälter mit einem zwei als gleiche Resonanzfrequenz aufweisende
Drehschwinger mit entgegengesetzem Drehsinn ausgebildete koaxial angeordnete und
sich im Abstand zueinander umfassende Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebllde,
dessen Schwingungen bei Rerühren des Filllquts mit dem das innere Schwingungselernent
unfassenden .iuNeren Schwinoungselement gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur
Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude
der Schwingungen.
-
Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. Es wird der Effekt ausgenutzt,
daß Schwingungsenergie durch lmpulsübertragung
von dem Schwingungsgebilde
auf das Füllgut übergeht, wodurch das zu Schwingungen angeregte Schwingungsgebilde
eine Dämpfung erfährt.
-
Aus der DE-PS 582 760 und der GR-PS 10 13 16 sind Vorrichtllngen belcannt,
bei denen ein in Resonanzfrequenz zu Biegeschwingungen anaeregter Schwingstab in
eincn zu ilberwachenden Behälter hineinragt und dessen Schwingungen bei der Berührung
mit dem Füllgut gedämpft werden, so daß durch diese Schwingungsänderung der Füllstand
angezeigt wird.
-
Diese bekannten FiillstandsmeSvorrichtungen zeigen jedoch den Nachteil,
daß der einzelne Schwingstab beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung
und damit auf die Behälterwanduno ausübt, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab
auf die Behälterwandung übertragen wird. Die Leerlaufverlu st e des Schwingunsgebildes
sind dementsprechend groß. Das Schwingungsantriebssystem muß deshalb leistungsstark
ausgelegt sein, um Schwingungen aufrechtzuerhalten. Das wiederum bewirkt, daß das
Schwingungsgebilde beim. Eintauchen in leichtere Schüttgüter, die ein geringeres
Dämpfungsvermögen haben, nicht mehr hinreichend gedämpft wird. Eine genaue Überwachung
ist dadurch nur schwer möglich.
-
Es wurde daher der Vorschlag unterbreitet, anstelle eines Schwingstabes
zwei parallel nebeneinander angeordnete Schwingstäbe in den Behälter hineinragen
zu lassen, die in der Einspannstelle über ein Joch miteinander verbunden sind und
in gegensinnige 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 Schwingstiben pulverförmige oder faserige
Füllgüter hängen bleiben bzw. Granulate ablagern können, so daß eine Dämpfung des
Schwingungsgebildes erfolgt, obwohl ein niedriger Füllstand vorhanden ist.
-
Es sind daher Vorschläge unterbreitet worden, Schwingungsgebilde mit
zwei übereinander angeordneten Schwingungselemente zu versehen, die als gleiche
Resonanzfrequenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und zur Bestimmung des Füllstandes
in Schwingungen von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind. Dabei können sich
die koaxial zueinander angeordneten Schwingungselemente teilweise im Abstand umfassen.
Durch entsprechende Anordnungen sind die Vorteile erzielt worden, ohne Übertragung
von Schwingungssenergie zur Behälterwandung eine überaus präzise Überwachung der
Füllstandshöhe in einem Behälter zu ermöglichen, ohne daß eine aufwendige Konstruktion
erforderlich wurde.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art derart auszubilden, daß ein Einsatz zur Bestimmung des Füllstandes
bei nahezu beliebigen Füllgütern - also großer und geringer Dichte -möglich ist
und daß die Detektionsempfindlichkeit nahezu unabhängig von den Einspannverhältnissen
des Schwingungsgebildes ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgema'ß dadurch gelöst, daß die Schwingungselemente
einen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen, der im Zentrum einer als Rückholfeder für
das äußere Schwingungselenwent dienenden Membran liegt.
-
Auseestaltunaen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei sollte
insbesondere hervorgehoben werden, daß das innere Schwingungselement stabförmig
ausgebildet und im flereich des Drehpunkts mit einer als Rückholfeder wirkenden
Verjüngung versehen ist. In Ausgestaltung weisen die Schwingungselemente einen gleich
großen assenschwerpunkt auf, die sich jeweils um einen gleichen von dem Drehpunkt
ausgehenden Radius bewegen. Des weiteren sind die von der Membran und von der Verjüngung
jeweils ausgehenden Federkräfte so abgestimmt, daß sich die durch die Schwingungselemente
um den Drehpunkt hervorgerufenen Drehmomente gegenseitig aufheben.
-
Das äußere Schwingungselement ist in Ausgestaltung der Erfindung zumindest
im dem Bereich rohrförmig ausgebildet, in dem das innere Schwingungsele,ment umfaßt
wird, wohingegen das freie Ende vorzu,sweise eine Paddelform aufweist, um eine höhere
'.cßgenauig,ekeit zu erzielen. Sowohl die Membran für das äußere Schwingungselement
als auch zumindest der oberhalb der Verjüngung vorhandene Abschnitt des inneren
Schwingungselements sind mit dem Behältergehäuse starr verbunden.
-
Sowohl der Antrieb des Schwingungsgeblldes als auch die Erfassung
der Schwingungsamplitude erfolgt mittels elektromechanischer
l^'andler
vorzugsweise in Form von piezoelektrischen Elementen, die diametral zueinander auf
der Membran angeordnet sind.
-
Durch die erfindungsgemäße Lehre wird unter anderem der Vorteil erzielt,
dan eine automatische Anpassung des von dem inneren Schwingungselement ausgeübten
G.egenschwingmoments auf die Figenschaften der Behälterwandung erfolgt und daß sich
die erwähnte Unabhängigkeit von den Einspannverhältnissen ergibt, die sich in einer
Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit äußert. Auch sei erwähnt, daß sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung durch einen einfachen und robusten Aufbau auszeichnet.
-
Wird nach dem Stand der Technik bei Füllstandsmeßvorrichtungen, bei
denen zwei Schwingungselemente Verwendung finden, versucht, die Übertragung von
Schwingungsenergie auf die Bellälterwandung zu vermeiden bzw. zu minimieren, geht
die vorliegende Erfindung von anderen Uberlegungen aus. s existieren zwei Grenzbedingungen
mit jeweils unterschiedlichen physikalischen Voraussestzungen. Der pralstische Einsatz
der erfindungsgemßen Vorrichtung wird sic;l nun zwischen diesen beiden Extrema abspielen.
In einem txtrerrJall wird das Schwingungsgebilde in eine Behälterwandung mit unendlich
gedachter Masse und Steifigkeit eingeschraubt. In diesem Fall ist die angestrebte
Güte des vom Füllgut zum dämpfenden äußeren Schwingungselements nicht durch die
Eigenschaften der Behälterwandung beeinträchtigt.
-
Mit anderen Worten ist das innere Schwingungselement, daß ein Gegenmoment
aufzubringen hätte, überflüssig, da die als
elastisches Element
wirkende Membran vollkommen starr gelagert ist. In der anderen Grenzbedingung denkt
man sich das Schwina,ungsgebilde unendlich elastisch frei im Raum aufgehängt, so
daß das innere Schwingungselement ein gleich großes, jedoch entgegengesetzt wirkendes
Schwlngmoment zu dem des unteren aufbringen muß, damit wiederum der Einschraubbereich
des Schwingungsgebildes in der Behälterwandung in seiner Ruhelage verharrt. Tritt
dieser Fall ein, so ist gleichfalls die hohe Gütebedingung gegeben.
-
In der Praxis werden sich nun Einschraubbedingungen für die erfindungsgemäße
Vorrichtung ergeben, bei denen die erfindungsgemäße Vorrichtung teilweise eine Abstützung
in der P.ehälterwandung erfährt und teilweise vom Gegenmoment des inneren Schwingungsgebildes
gestützt wird. Durch die insbesondere den Ansprüchen zu entnehmenden Merkmalen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun möglich, daß sich unter Reibehaltung einer
stets gleich guten Detektionsempfindlichkeit eine automatische Anpassung an die
jeweils vorliegenden Praxisbedingungen ergibt.
-
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung.
-
Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel und Fig. 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
In Fig. 1 ist in Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten
Füllstandes in einem Behälter dargestellt, das aus zwei koaxial zueinander angeordneten
Schwingungselementen 10 und 12 besteht, die sich zutindest teilweise im Abstand
zueinander umfassen.
-
Dabei ist im Ausführungsbeispiel das äußere Schwingungselement 10
im Bereich des inneren Schwingungselements 12 rohrförmig, das innere Schwingungselement
12 stabförmig ausgebildet. Das das innere Schwingungselement 12 nicht umschließende
freie Ende des Schwingungselementes 10 ist vorzugweise - jedoch nicht dargestellt
- flachgequetscht, um eine Paddelform zu erhalten. Dadurch ergibt sich eine höhere
Empfindlichkeit bei der Überwachung eines Füllstandes.
-
Das äußere Schwingungselement 10 ist an einem oberen freien Ende mit
einer als Rückholfeder wirkenden Membran 14 verbunden, die ihrerseits starr mit
einem Einschraubteil 16 an einer @ehälterwandung verbunden ist. Hat die Membran
14 für das Schwingungselement 10 die Funktion einer Rückholfeder, sc vollführt eine
Verjüngung 17 im oberen Abschnitt des inneren Schwingungselements 12 die gleiche
Wirkung. Wie die Fig. 1 verdeutlicht, ist dabei die Verjüngung 17 in der Höhe der
membran 14 angeordnet. Oberhalb der Verjüngung 17 ist der obere Abschnitt 18 des
Schwingungselements 12 starr mit dem Einschraubstück 16 verbunden. Das stabförmige
Schwingungselement 12 und das rohrförmige Schwingungselement 10 sind nun derart
ausgebildet, daß sie einen
gemeinsamen Drehpunkt 20 aufweisen,
der im Zentrum der Membran 14 und damit auch auf den zusammenfallenden Hauptachsen
der Schwino,ungselemente 10 und 12 liegt. Außerdem weisen die Schwingungselemente
10 und 12 einen gleich großen Massenschwerpunkt 22 auf, der sich um einen vom gemeinsamen
Drehpunkt 20 ausgehenden Radius bewegt. Die Membran 14 und die Verjüngung 17 sind
in ihrer Federkraft so aufeinander abgestimnlt, daß sich die durch das äußere Schwingungselement
10 und das innnere Schwingungselement 12, also den Stab und das Rohr, um den Drehpunkt
20 hervorgerufenen Drehmomente M 1 und M 2 gegenseitig aufheben.
-
Durch diese Voraussetzungen ist gewährleistet, daß die beiden Schwingungselemente
10 und 12 mit gleicher Resonanzfrequenz schwingen. Als Antriebssystem dient nun
ein elektromechani scher Wandler in Form eines piezoelektrischen Elements 24, welches
durch eine in der Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes pulsierende Gleichspannung
erregt wird.
-
Das piezoelektrische Element 24 ist auf einer Seite der Membran 14
angeordnet. Die pulsierende Ausdehnung in radialer Richtung des piezoelektrischen
Elements bewirkt, daß eine ebensolche Ausdehnung auf der entsprechenden Seite der
Membran erfolgt, wodurch das Rohr oder das äußere Schwingungselement 10 in Schwingung
versetzt wird. Wird über das Einschraubteil 16 Schwingungsenergie abgeführt, so
überträgt sich diese auf das stabförmige innere Schwingungselement 12, welches als
Folge im entgegengesetzten Drehsinn zum äußcreji Schwingungselement 10 schwingt.
Dies gilt, wenn das Einsc'lraubstiick 16 bzw. die Behälterwandung nicht als unendlich
steif und massebehaftet anzusehen ist. Bei unendlicher Masse würde dagegen das innere
Schwingungselement 12 in Ruhe bleiben.
-
Die Detektion erfolgt gleichfalls über einen elektromechaniscllen
Wandler in Form eines piezoelektrischen Elements 23, welches diametral zu dem piezoelektrischen
Element 24 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 14 angeordnet ist. Die durch
die Schwingung hervorgerufene Dehnung der ?,Membran 14 und des darauf befestigten
piezoelektrischen Elements 23 erzeugt in. diesem eine pulsierende Gleichspannung,
die dann verschwindet, wenn das System durch Bertihrung des äußeren Schwingungselements
10 mit Füllgut gedämpft wird. Durch nicht dargestellte Einrichtungen erfolgt dann
eine Auslösung von Anzeige- oder Schaltvorgängen. Verbindungen zwischen den piezoelektrischen
Elenenten 23 bzw. 24 mit einem Verstärker bzw. nachgeschalteten Schwellwertdiskriminatoren
und Relais für Anzeige- oder Schaltvorgänge werden durch Bohrungen 26 und 28 im
Einschraubstück 16 geführt.
-
Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird die Membran 14 von einer
I3asisfläche 30 gebildet, die senkrecht zu den Schwingungselementenachsen verläuft
und von der zwei Zylinderabschnitte unterschiedlicher Durchmesser in entvoei7engesetzten
Richtungen abragen. von denen einer 32 mit dem rohrförmigen äußeren Schwingungselement
10 verbunden ist und vorzugsweise fluchtend in diesen übergeht, wohingegen der andere
Abschnitt 34 mit dem Einschraubstück 16 in Form von vorzugsweise eines zylinderförmigen
Vorsprungs verbunden ist.
-
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weicht von dem der Fig. 1 hinsichtlich
der Ausbildung der Membran 36 und dem
Einschraubteil 38 ab. Ansonsten
sind die anderen Elemente gleich ausgebildet, so daß die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 Verwendung finden. Eine eingehende Beschreibung erübrigt sich demzufolge.
-
Die Membran 36 nach Fig. 2 weist gleichfalls eine senkrecht zu den
Schwingungselementenachsen verlaufende Basisfläche 40 auf, die unmittelbar mit dem
Einschraubstück 38 starr verbunden ist. 9ie Verbindung zwischen der Membran 36 und
dem äußeren Schwingungselement 10 erfolgt wie bei Fig. 1 gleichfalls über einen
von der 8asisflBiche 40 abragenden zylinderförmigen Abschnitt 42, der fluchtend
in das rohrförnlige Schwingungselement 10 Ubergeht. Die Durchführung der elektrischen
Verbindungsleitungen zwischen den piezoelektrischen Elementen 23 und 24 und nicht
dargestellten Anzeige- und Auswerteeinrichtungen erfolgt nach dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 durch innerhalb des oberen oberhalb der Verjüngung 17 liegenden Abschnitts
18 des inneren stabförmig ausgebildeten Schwingungselements 12.
-
Auch ist vorzugsweise beim Ausführungsbeisplel nach der Fig. 2 das
freie Ende des äußeren Schwingungselements 10 paddelförmig ausgebildet, jedoch in
der Zeichnung nicht dargestellt.