DE10153937A1

DE10153937A1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter

Info

Publication number: DE10153937A1
Application number: DE10153937A
Authority: DE
Inventors: Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-02-27
Also published as: DE10153936A1; DE50213869D1; ATE443849T1

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter vorgesehen, den Füllstand in einem Behälter anzugeben, der eine möglichst optimale Anpassung an eine Anwendung aufweist, welche Vorrichtung umfaßt: ein auf der Höhe des vorbestimmten Füllstands angebrachtes mechanisches Schwingungsgebilde, das eine Membran (3) und zwei daran voneinander beabstandet angeformte Schwingstäbe (7) aufweist, einen elektromechanischen Wandler, der das Schwingungsgebilde im Betrieb derart zu Schwingungen anregt, daß die Schwingstäbe (7) Schwingungen senkrecht zu deren Längsachsen ausführen, eine Empfangs- und Auswerteeinheit (13), die dazu dient, anhand der Schwingungen festzustellen und/oder zu überwachen, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht ist oder nicht, bei dem die Schwingstäbe (7) eine Form aufweisen, bei der ein Massenträgheitsmoment einer Flüssigkeitsmenge, die die Schwingstäbe (7) im in die Flüssigkeit eingetauchten Zustand mitbewegen, möglichst groß und größer als ein 0,2-faches eines Massenträgheitsmomentes der Schwingstäbe (7) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter.
Derartige Füllstandsgrenzschalter werden in vielen Industriezweigen, insb. in der Chemie und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Sie dienen zur Grenzstanddetektion und werden z. B. als Überfüllsicherung oder als Pumpenleerlaufschutz verwendet.

In der DE-A 44 19 617 ist eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter beschrieben. Diese umfaßt:

- ein auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebrachtes mechanisches Schwingungsgebilde,
- das eine Membran und zwei daran von einander beabstandet angeformte Schwingstäbe aufweist,
- einen elektromechanischen Wandler,
- der das Schwingungsgebilde im Betrieb derart zu Schwingungen anregt, daß die Schwingstäbe Schwingungen senkrecht zu deren Längsachse ausführen, und
- eine Empfangs- und Auswerteeinheit, die dazu dient anhand der Schwingung festzustellen und/oder zu überwachen, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht ist oder nicht.

Die Schwingstäbe weisen endseitig an deren membran-abgewandten Seite flächige parallel zueinander angeordnete Paddel auf. Eine Flächennormale auf die Paddel verläuft senkrecht zur Längsachse der Paddel.

Der elektromechanische Wandler weist mindestens einen Sender auf, an dem ein elektrisches Sendesignal anliegt und der das mechanische Schwingungsgebilde zu Schwingungen anregt. Es ist ein Empfänger vorgesehen, der die mechanischen Schwingungen des Schwingungsbildes aufnimmt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt. Die Auswerteeinheit nimmt das Empfangssignal auf und vergleicht dessen Frequenz mit einer Referenzfrequenz. Sie erzeugt ein Ausgangssignal das angibt, daß das mechanische Schwingungsgebilde von einem Füllgut bedeckt ist, wenn die Frequenz einen Wert aufweist der kleiner als die Referenzfrequenz ist, und daß es nicht bedeckt ist, wenn der Wert größer ist. Es ist ein Regelkreis vorgesehen, der eine zwischen dem elektrischen Sendesignal und dem elektrischen Empfangssignal bestehende Phasendifferenz auf einen bestimmten konstanten Wert regelt, bei dem das Schwingungsgebilde Schwingungen mit einer Resonanzfrequenz ausführt.

Der Regelkreis wird z. B. dadurch gebildet, daß das Empfangssignal verstärkt und über einen Phasenschieber auf das Sendesignal zurück gekoppelt wird.

Derartige Vorrichtungen werden in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt und sind somit ganz unterschiedlichen Anforderungen ausgesetzt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter anzugeben, der eine möglichst optimale Anpassung an eine Vielzahl von Anwendungen aufweist.

Dies wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter, welche Vorrichtung umfaßt:

- ein auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebrachtes mechanisches Schwingungsgebilde,
- das eine Membran und zwei daran von einander beabstandet angeformte Schwingstäbe aufweist,
- einen elektromechanischen Wandler,
- der das Schwingungsgebilde im Betrieb derart zu Schwingungen anregt, daß die Schwingstäbe Schwingungen senkrecht zu deren Längsachse ausführen,
- eine Empfangs- und Auswerteeinheit, die dazu dient anhand der Schwingungen festzustellen und/oder zu überwachen, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht ist oder nicht,
- bei dem die Schwingstäbe eine Form ausweisen, bei der ein Massenträgheitsmoment einer Flüssigkeitsmenge, die die Schwingstäbe im in die Flüssigkeit eingetauchten Zustand mitbewegen möglichst groß und größer als ein 0,2 faches eines Massenträgheitsmomentes der Schwingstäbe ist.

Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Schwingstäbe endseitig an deren membran-abgewandten Seite flächige parallel zueinander angeordnete Paddel auf, wobei eine Flächennormale auf die Paddel senkrecht zur Längsachse der Schwingstäbe verläuft.

Gemäß einer Weiterbildung

- ragen die Schwingstäbe im Betrieb durch eine Öffnung in den Behälter hinein,
- weist die Öffnung einen Durchmesser von weniger als fünf Zentimetern auf,
- weist die Membran einen Durchmesser auf, der geringfügig kleiner als der Durchmesser der Öffnung ist,
- weisen die Paddel eine maximale Breite auf, bei der ein Außendurchmesser der Vorrichtung im Bereich der Schwingstäbe kleiner gleich dem Durchmesser der Öffnung ist.

Gemäß einer Weiterbildung ist eine Länge L der Schwingstäbe einschließlich der Paddel so gewählt, daß eine Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes bei maximaler Paddelbreite kleiner als 1400 Hz ist.

Gemäß einer Weiterbildung weisen die Paddel eine Länge l auf, die 50% +/- 10% der Länge L der Schwingstäbe ausmacht.

Gemäß einer Weiterbildung weisen die Paddel eine geringe Dicke auf.

Gemäß einer Ausgestaltung besteht die Membran aus einem Metall und weist eine Dicke von 0,6 bis 1 mm auf.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung

- weist die Öffnung einen Durchmesser von ca. 24 mm (S Zoll) auf,
- ist die Membran in die Öffnung eingebracht und schließt diese ab,
- weist jeder Schwingstab ein Massenträgheitsmoment auf, das kleiner gleich 18 kg/mm² und größer gleich 1,1 kg/mm² ist,
- weisen die Paddel eine Dicke zwischen 1 mm und 4,1 mm auf, und
- weisen die Schwingstäbe eine Länge zwischen 37 mm und 60 mm auf.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung

- weist die Öffnung einen Durchmesser von ca. 12 mm (R Zoll) auf,
- ist die Membran in die Öffnung eingebracht und schließt diese ab,
- weist jeder Schwingstab ein Massenträgheitsmoment auf, das kleiner gleich 1,6 kg/mm² und größer gleich 0,4 kg/mm² ist,
- weisen die Paddel eine Dicke zwischen 1 mm und 2 mm auf, und
- die Schwingstäbe weisen eine Länge zwischen 30 mm und 40 mm auf.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung einer der oben genannten Vorrichtungen, bei dem

- aus einen vorgegeben Durchmesser der Öffnung im Behälter der maximale Durchmesser der Membran bestimmt wird,
- ein Abstand der Paddel zueinander und deren Dicke in Abhängigkeit vom Durchmesser der Membran festgelegt wird,
- nachfolgend zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit der Vorrichtung die maximal mögliche Breite der Paddel bestimmt wird,
- eine Mindestlänge der Schwingstäbe ermittelt wird, ab der eine Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes weniger als 1400 Hz beträgt, und
- das Schwingungsgebilde unter Einhaltung der vorgenannten Bemessungsangaben gefertigt wird.

Das Schwingungsgebilde führt im Betrieb erzwungene harmonische Schwingungen aus. Vorzugsweise wird die Vorrichtung in Resonanz betrieben, da dann eine Amplitude der Schwingungen maximal ist. Ein Eintauchen des Schwingungsgebildes in die Flüssigkeit bewirkt eine zusätzliche Dämpfung der Resonanzschwingung und führt zu einer Reduktion der Schwingungsamplitude und der Resonanzfrequenz. Ursache für die Dämpfung ist, daß eine von der Form der Schwingstäbe abhängige Flüssigkeitsmenge mit den Schwingstäben mit bewegt wird.

Indem die Schwingstäbe so ausgebildet sind, daß das Massenträgheitsmoment der mit den Schwingstäben im eingetauchten Zustand mitbewegten Flüssigkeitsmasse möglichst groß ist im Vergleich zu dem Massensträgheitsmoment der Schwingstäbe weist die Vorrichtung eine sehr hohe Empfindlichkeit auf. D. h. ein durch das Eintauchen in die Flüssigkeit bedingter Meßeffekt ist sehr groß. Bei den hier beschriebenen Massenträgheitsmomenten liegt eine Bezugsachse für das Massenträgheitsmoment jeweils in der Ebene der Membran und verläuft senkrecht zur Flächennormale auf die Paddel.

Untersuchungen haben gezeigt, daß es für die meisten Anwendungen ausreicht, wenn das Massenträgheitsmoment der mitbewegten Flüssigkeitmasse mindestens gleich dem 0,2 fachen des Massenträgheitsmomentes der Schwingstäbe ist. Damit ist gewährleistet, daß die Vorrichtung auch unter sehr schwierigen Bedingungen, z. B. in Medien mit einer geringen Dichte, fehlerfrei arbeitet. Für die Größe der mitbewegten Flüssigkeitsmenge ist eine in Bewegungsrichtung der Schwingstäbe projezierte Fläche entscheidend. Je größer die projezierte Fläche ist, umso größer ist auch die mitbewegte Flüssigkeitsmenge.

Ein Maß für die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist eine Änderung der Resonanzfrequenz. Nachfolgend ist mit der Empfindlichkeit δ die Differenz der Resonanzfrequenz ω_f, mit der das Schwingungsgebilde schwingt, wenn es in die Flüssigkeit eingetaucht ist und die Resonanzfrequenz ω₀, mit der das Schwingungsgebilde außerhalb der Flüssigkeit frei schwingt, bezogen auf die Resonanzfrequenz ω₀, mit der das Schwingungsgebilde außerhalb der Flüssigkeit schwingt, gemeint.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Empfindlichkeit δ eine Funktion des Verhältnisses V der Massenträgheitsmoments der mit den Schwingstäben im eingetauchten Zustand mitbewegten Flüssigkeitsmasse und des Massensträgheitsmoments der Schwingstäbe ist. Es gilt:

δ = 1-(1/1+V))^1/2 (1)

Bei einem Verhältnis V von 0,2 beträgt die Empfindlichkeit δ bereits 16%. Die in Gleichung (1) angegebene Berechnungsvorschrift ist in Fig. 1 graphisch dargestellt.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Empfindlichkeit einer Vorrichtung in Abhängigkeit vom Verhältnis V des Massenträgheitsmoments der mitbewegten Flüssigkeitsmenge zu dem Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe;
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands;
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Schwingstabs;
Fig. 4 zeigt eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Vorrichtung von der Paddelbreite;
Fig. 5 zeigt eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Vorrichtung von der Paddellänge;
Fig. 6 zeigt eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Vorrichtung von der Paddeldicke.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine Form der Schwingstäbe; und
Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Form der Schwingstäbe.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter. Sie weist ein auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes anzubringendes mechanisches Schwingungsgebilde auf.
Das Schwingungsgebilde umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1, das von einer kreisförmigen Membran 3 frontbündig abgeschlossen ist. An das Gehäuse 1 ist ein Gewinde 5 angeformt, mittels dessen die Vorrichtung in eine auf der Höhe des vorbestimmten Füllstands angeordnete Öffnung 6 in den Behälter eingeschraubt ist. Andere dem Fachmann bekannte Befestigungsweisen, z. B. mittels an dem Gehäuse 1 angeformter Flansche, sind ebenfalls einsetzbar.
An der Außenseite des Gehäuses 1 sind an der Membran 3 zwei in den Behälter weisende Schwingstäbe 7 angeformt, die ebenfalls Bestandteil des Schwingungsgebildes sind. Fig. 3 zeigt eine Anschicht der Schwingstäbe 7. Die Schwingstäbe 7 werden durch einen im Inneren des Gehäuses 1 auf der Membran 3 angeordneten elektromechanischen Wandler 9 in Schwingungen senkrecht zu deren Längsachse versetzt. Als elektromechanischer Wandler 9 dient in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element, das auf die Membran 3 aufgebracht und fest mit dieser verbunden ist. Das piezoelektrische Element ist z. B. auf die Membran 3 aufgeklebt oder aufgelötet und dient dazu die Membran 3 im Betrieb in Biegeschwingungen zu versetzen. Durch diese Membranbewegung werden die Schwingstäbe 7 in Schwingungen senkrecht zu deren Längsachse versetzt.
Das Schwingungsgebilde wird im Betrieb mittels einer elektronischen Schaltung 11 zu Schwingungen angeregt und es ist eine Empfangs- und Auswerteeinheit 13 vorgesehen, die dazu dient anhand der Schwingung festzustellen und/oder zu überwachen, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht ist oder nicht. Dies geschieht beispielsweise, indem auf einer membran-abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements 9 eine Sendeelektrode 15 und eine Empfangselektrode 17 angeordnet sind.
Über die elektronische Schaltung 11 liegt an der Sendeelektrode 15 ein elektrisches Sendesignal an, das das mechanische Schwingungsgebilde zu Schwingungen anregt. Die Schwingungen werden mittels der Empfangselektrode 17 aufgenommen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt. Die Empfangs- und Auswerteeinheit 13 nimmt das Empfangssignal auf vergleicht dessen Frequenz mit einer Referenzfrequenz. Sie erzeugt ein Ausgangssignal das angibt, daß das mechanische Schwingungsgebilde von einem Füllgut bedeckt ist, wenn die Frequenz einen Wert aufweist der kleiner als die Referenzfrequenz ist, und daß es nicht bedeckt ist, wenn der Wert größer ist. In der elektronischen Schaltung 11 ist ein Regelkreis vorgesehen, der eine zwischen dem elektrischen Sendesignal und dem elektrischen Empfangssignal bestehende Phasendifferenz auf einen bestimmten konstanten Wert regelt, bei dem das Schwingungsgebilde Schwingungen mit einer Resonanzfrequenz ausführt.
Der Regelkreis wird z. B. dadurch gebildet, daß das Empfangssignal verstärkt und über einen Phasenschieber auf das Sendesignal zurück gekoppelt wird.
Erfindungsgemäß weisen die Schwingstäbe eine Form auf, bei der ein ein Massenträgheitsmoment einer Flüssigkeitsmenge, die die Schwingstäbe im in die Flüssigkeit eingetauchten Zustand mitbewegen möglichst groß und größer als ein 0,2 faches eines Massenträgheitsmomentes der Schwingstäbe ist.
Mit dem Massenträgheitsmoment ist immer das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 7 bzw. der mitbewegten Flüssigkeitsmasse bezogen auf die in der Ebene der Membran 3 senkrecht zur Flächennormale auf die Paddel 8 verlaufende Achse gemeint.
Bei einer solchen Auslegung der Schwingstäbe ist eine hohe Empfindlichkeit δ der Vorrichtung gewährleistet. Eine hohe Empfindlichkeit δ ist grundlegend für eine optimale Anpassung der Vorrichtung an eine Vielzahl von Anwendungen. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit δ kann die Vorrichtung problemlos auch in ansonsten sehr schwierigen Anwendungen, z. B. in Flüssigkeiten mit sehr geringer Dichte eingesetzt werden.
Eine Vergrößerung des Verhältnisses V, das wie bereits eingangs dargelegt die zentrale Größe darstellt, kann auf vielfältige Weise erfolgen. Eine großes Verhältnis V liegt vor, wenn die Schwingstäbe 7 eine Form aufweisen, bei der eine Dicke der mit den Schwingstäben 7 mitbewegten Flüssigkeitsschicht möglichst groß ist. Hierfür ist eine in Bewegungsrichtung der Schwingstäbe 7 projezierte Fläche derselben entscheidend. Je größer die durch die Flüssigkeit bewegte Fläche in der Projektion ist, umso größer ist auch die mitbewegte Flüssigkeitsmenge.
Da flächige Elemente besser geeignet sind, große Mengen an Flüssigkeit mit zu bewegen, weisen die Schwingstäbe 7, wie in Fig. 3 dargestellt vorzugsweise endseitig an deren membran-abgewandten Seite flächige parallel zueinander angeordnete Paddel 8 auf, die so ausgerichtet sind, daß deren Flächennormale senkrecht zur Längsachse der Schwingstäbe 7 verläuft.
Untersuchungen haben gezeigt, daß sich das für die Empfindlichkeit der Vorrichtung so wichtige Verhältnis des Massenträgheitsmoments der mitbewegten Flüssigkeit bezogen auf das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe deutlich vergrößern läßt, indem die Breite der Schwingstäbe 7, bzw. in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Breite b der Paddel 8 vergrößert wird. Fig. 4 zeigt schematisch die Empfindlichkeit δ in Abhängigkeit von der Breite b der Paddel 8. Eine Verlängerung der Schwingstäbe 7 und/oder der Paddel 8 führt dagegen nicht zu einer merklichen Vergrößerung des Verhältnisses V der beiden Massenträgheitsmomente. Bei einer Verlängerung der Schwingstäbe 7 steigen das Massenträgheitsmoment der mitbewegten Flüssigkeit und das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 7 ungefähr gleich stark an. Es ist daher die Breite b der Paddel 8 zu maximieren, um eine hohe Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erzielen.
Die Schwingstäbe 7 ragen im Betrieb durch die Öffnung 6 in den Behälter hinein. Die Öffnung 6 weist einen Durchmesser von wenigen Zentimetern auf. Die Membran 3 weist einen Durchmesser auf, der geringfügig kleiner als der Durchmesser der Öffnung 6 ist. Entsprechend weisen die Paddel 8 vorzugweise eine maximale Breite b auf, bei der ein Außendurchmesser der Vorrichtung im Bereich der Schwingstäbe 7 geringfügig kleiner als der Durchmesser der Öffnung 6 im Behälter ist.
Obwohl bei einer Vergrößerung der Breite b als auch bei einer Vergrößerung der Länge l der Paddel das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 7 ansteigt, ist nur durch die Vergrößerung der Breite b eine deutliche Steigerung der Empfindlichkeit δ der Vorrichtung erzielbar.
In begrenztem Umfang ist auch durch eine Verkleinerung der Dicke d der Paddel 8 eine Vergrößerung des Verhältnisses V erzielbar. Dünnere Paddel 8 haben bei gleicher gegen die Flüssigkeit bewegter projizierter Fläche eine geringere Masse und somit ein geringeres Massenträgheitsmoment als ansonsten identische Schwingstäbe 7 mit dickeren Paddeln 8. Da die durch die Flüssigkeit bewegte projezierte Fläche gleich bleibt, bleibt auch die mitbewegte Flüssigkeitsmenge und damit auch deren Massenträgheitsmoment gleich. Entsprechend vergrößert sich das Verhältnis V der Massenträgheitsmomente. Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Vorrichtung von der Paddeldicke d.
Der Verkleinerung der Dicke d der Paddel 8 sind natürlich Grenzen gesetzt, die sich daraus ergeben, daß die Schwingstäbe 7 bzw. die Paddel 8 durch durch eine Anwendung gegebene mechanische Belastungen nicht verformt, verbogen oder sogar abgebrochen werden dürfen. Bei metallischen Schwingstäben 7 sollte auch Gründen der mechanischen Stabilität ein Grenzwert von einem Millimeter Dicke nicht unterschritten werden.
Das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 7 kann je nach Form der Schwingstäbe entweder unmittelbar, mittels Näherungsrechnungen oder durch Simulationsrechnungen, z. B. mittels der Finiten-Elemente-Methode, bestimmt werden. Das Massenträgheitsmoment der mitbewegten Flüssigkeitsmasse kann indirekt aus Gleichung (1) bestimmt werden. Hierzu muß in einem ersten Schritt experimentell oder numerisch die Empfindlichkeit 5 der Vorrichtung berechnet werden und das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 7 zur Verfügung stehen. Für die numerische Berechnung der Empfindlichkeit δ stehen heute Simulationsprogramme, wie z. B. das Softwarepaket ANSYS der Firma ANSYS, Inc. aus Canonsburg, PA 15317 in den USA zur Verfügung, mit dem ein Eintauchen der Schwingstäbe 7 in eine Flüssigkeit simuliert werden kann, und aus den Simulationen die Schwingungsfrequenzen bestimmt werden können.
Da eine Länge L der Schwingstäbe 7 keinen wesentlichen Einfluß auf das Verhältnis V der Massenträgheitsmomente hat, sich aber sehr wohl auf das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 7 auswirkt, kann die Länge L der Schwingstäbe 7 zur Einstellung einer gewünschten Resonanzfrequenz verwendet werden. Vorzugsweise ist die Länge L der Schwingstäbe 7 einschließlich der Paddel 8 so gewählt, daß die Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes bei maximaler Breite b der Paddel 8 kleiner als 1400 Hz ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß die Vorrichtung auch in ausgasenden Medien, z. B. in mit Kohlensäure versetztem Wasser, noch zuverlässig arbeitet.
Vorzugsweise weisen die Paddel 8 eine Länge l auf, die 50% +/- 10% der Länge L der Schwingstäbe ausmacht. Eine weitere Vergrößerung der Länge l der Paddel 8 bezogen auf die Länge L der Schwingstäbe 7 bringt nur eine sehr geringe Vergrößerung der Empfindlichkeit δ, von weniger als 5%, sie bedeutet also einen zusätzlichen Materialaufwand, der sich praktisch für die meisten Anwendungen nicht auszahlt.
Die Membran 3 besteht aus einem Metall und weist eine Dicke von 0,6 bis 1 mm auf. Bei einer solchen Dicke ist bei einer metallischen Membran 3 eine ausreichende Sicherheit gegeben, damit die Membran 3 auch starken Belastungen, z. B. durch hohe Drücken oder mechanische Beanspruchung standhält.
Nachfolgend sind zwei Optimierungsbeispiele für Schwingstäbe 7 mit Paddeln 8 angegeben.
Bei einem Behälter, bei dem die Öffnung einen Durchmesser von ca. 24 mm (S Zoll) aufweist, und die Membran 3 derart in die Öffnung eingebracht ist, daß sie diese abschließt, weisen die Schwingstäbe 7 vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment auf, daß kleiner gleich 18 kg/mm² und größer gleich 1,1 kg/mm² ist. Die Paddel 8 weisen dabei vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 mm und 4,1 mm auf, und die Schwingstäbe 7 haben eine Länge zwischen 37 mm und 60 mm.
Bei einem Behälter, bei dem die Öffnung einen Durchmesser von ca. 12 mm (R Zoll) aufweist, und die Membran 3 derart in die Öffnung eingebracht ist und sie die Öffnung abschließt, weisen die Schwingstäbe 7 vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment auf, das kleiner gleich 1,6 kg/mm² und größer gleich 0,4 kg/mm² ist. Die Paddel 8 weisen eine Dicke zwischen 1 mm und 2 mm auf, und die Schwingstäbe 7 weisen eine Länge zwischen 30 mm und 40 mm auf.
Um eine optimale Auslegung für eine Anwendung zu erzielen wird die Vorrichtung, wie nachfolgend aufgeführt hergestellt: Es wird zunächst aus einem vorgegeben Durchmesser der Öffnung 6 im Behälter der maximale Durchmesser der Membran 3 bestimmt wird. In Abhängigkeit von dem Durchmesser der Membran 3 wird ein Abstand der Schwingstäbe 7 zueinander und deren Dicke festgelegt. Nachfolgend wird zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit δ der Vorrichtung die maximal mögliche Breite b der Paddel 8 bestimmt. Diese ist dadurch gegeben, daß die Paddel 8 noch durch die Öffnung in den Behälter einführbar sind. Anschließend wird eine Mindestlänge L der Schwingstäbe 7 ermittelt, ab der eine Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes weniger als 1400 Hz beträgt. Anschließend wird das Schwingungsgebilde unter Beachtung der vorgenannten Bemessungsangaben gefertigt.
Eine Formgebung der Paddel 8 und deren Auswirkungen auf die Empfindlichkeit kann numerisch ermittelt werden. Dies ist nachfolgend anhand von zwei speziellen Formen näher erläutert. Eine erste Form A ist in Fig. 7 dargestellt. Es handelt sich hier um den einfachsten Fall eines Schwingstabes 7 mit einem im Querschnitt rechteckigen Stab der Breite bs und dem an dessen membran-abgewandten Ende angeformten Paddel 8. Das Paddel 8 ist im Queschnitt ebenfalls rechteckig und weist die Breite b und die Länge l auf. Die Länge l des Paddels 8 beträgt das 0,5 fache der Gesamtlänge L des Schwingstabes 7.
Fig. 8 zeigt eine alternative Form B für einen Schwingstab 7. Der hier dargestellte Schwingstab 7 weist ebenfalls einen im Querschnitt rechteckigen Stab der Breite bs auf, an dessen membran-abgewandten Ende das Paddel 8 angeformt ist. Das Paddel 8 ist im Querschnitt ein Rechteck mit einer in membran-abgewandter Richtung weisenden Spitze 17. Die Spitze 17 läuft unter einem Winkel α von 45° zur Schwingstablängsachse zu und endet in einem stumpfen Abschluß der Breite sp. Das Paddel 8 selbst weist wieder die Breite b und die Länge l auf. Die Länge l des Paddels 8 beträgt das 0,5 fache der Gesamtlänge L des Schwingstabes 7.
In dem zuvor erwähnten Programm Ansys sind zur Simulation einer Schwingung der Schwingstäbe 7 in einer Flüssigkeit vorgefertigte Flüssigkeitselemente vorgesehen. Es kann daher mittels dieses Programms eine Schwingung des Schwingstabs 7 im freien und in einer Flüssigkeit nachempfunden werden. Hieraus läßt sich die jeweilige Resonanzfrequenz und damit wie eingangs angegeben, die Empfindlichkeit δ der Vorrichtung bestimmen.
Geht man bei der Form A beispielsweise von einer Breite bs des Stabes von 3 mm, so ergibt sich Form A

wobei ρfl die Dichte der Flüssigkeit und ρp die Dichte des Schwingstabs 7 bezeichnet und die Dichten in kg/mm³ und die Längen in mm anzusetzen sind.
Für die Form B ergibt sich bei einer Breite bs des Stabes von 3 mm, einer Breite sp des Abschlusses von 1 mm eine Empfindlichkeit von: Form B
Selbstverständlich können auch komplizierte Formen numerisch ausgewertet werden und auch die Abhängigkeit der Empfindlichkeit δ von anderen Parametern ausgerechnet werden. Daraus ergibt sich für jede beliebige Form eine Bewertung der Verhältnisgröße V. Je größer die projezierte Fläche der speziellen Paddelform bei möglichst geringem Massentragheitsmoment des Schwingstabes 7 ist, umso größer ist die Empfindlichkeit δ der Vorrichtung.

Claims

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter, welche Vorrichtung umfaßt:
ein auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebrachtes mechanisches Schwingungsgebilde,
das eine Membran (3) und zwei daran von einander beabstandet angeformte Schwingstäbe (7) aufweist,
einen elektromechanischen Wandler,
der das Schwingungsgebilde im Betrieb derart zu Schwingungen anregt, daß die Schwingstäbe (7) Schwingungen senkrecht zu deren Längsachse ausführen,
eine Empfangs- und Auswerteeinheit (13), die dazu dient anhand der Schwingungen festzustellen und/oder zu überwachen, ob der vorbestimmte Füllstand erreicht ist oder nicht,
bei dem die Schwingstäbe (7) eine Form ausweisen, bei der ein Massenträgheitsmoment einer Flüssigkeitsmenge, die die Schwingstäbe (7) im in die Flüssigkeit eingetauchten Zustand mitbewegen möglichst groß und größer als ein 0,2 faches eines Massenträgheitsmomentes der Schwingstäbe (7) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schwingstäbe (7) endseitig an deren membran-abgewandten Seite flächige parallel zueinander angeordnete Paddel (8) aufweisen, wobei eine Flächennormale auf die Paddel (8) senkrecht zur Längsachse der Schwingstäbe (7) verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der
die Schwingstäbe (7) im Betrieb durch eine Öffnung in den Behälter hinein ragen,
die Öffnung einen Durchmesser von weniger als fünf Zentimetern aufweist,
die Membran (3) einen Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Durchmesser der Öffnung ist,
die Paddel (8) eine maximale Breite aufweisen, bei der ein Außendurchmesser der Vorrichtung im Bereich der Schwingstäbe kleiner gleich dem Durchmesser der Öffnung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der eine Länge L der Schwingstäbe (7) einschließlich der Paddel (8) so gewählt ist, daß eine Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes bei maximaler Breite (b) der Paddel (8) kleiner als 1400 Hz ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Paddel (8) eine Länge (l) aufweisen, die 50% +/- 10% der Länge (L) der Schwingstäbe (7) ausmacht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Paddel (8) eine geringe Dicke (d) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Membran (3) aus einem Metall besteht und eine Dicke von 0,6 bis 1 mm aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bei der
Öffnung einen Durchmesser von ca. 24 mm (S Zoll) aufweist,
die Membran (3) in die Öffnung eingebracht ist und diese abschließt,
jeder Schwingstab (7) ein Massenträgheitsmoment aufweist, das kleiner gleich 18 kg/mm² und größer gleich 1,1 kg/mm² ist,
die Paddel (8) eine Dicke (d) zwischen 1 mm und 4,1 mm aufweisen, und
die Schwingstäbe (7) eine Länge (L) zwischen 37 mm und 60 mm aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bei dem
Öffnung einen Durchmesser von ca. 12 mm (R Zoll) aufweist,
die Membran (3) in die Öffnung (6) eingebracht ist und diese abschließt,
jeder Schwingstab (7) ein Massenträgheitsmoment aufweist, das kleiner gleich 1,6 kg/mm² und größer gleich 0,4 kg/mm² ist,
die Paddel (8) eine Dicke (d) zwischen 1 mm und 2 mm aufweisen, und
die Schwingstäbe (7) eine Länge (L) zwischen 30 mm und 40 mm aufweisen.

10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der
aus einen vorgegeben Durchmesser der Öffnung (6) im Behälter der maximale Durchmesser der Membran (3) bestimmt wird,
ein Abstand der Paddel (8) zueinander und deren Dicke (d) in Abhängigkeit vom Durchmesser der Membran (3) festgelegt wird,
nachfolgend zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit (δ) der Vorrichtung die maximal mögliche Breite (b) der Paddel (8) bestimmt wird,
eine Mindestlänge der Schwingstäbe (7) ermittelt wird, ab der eine Resonanzfrequenz des Schwingungsgebildes weniger als 1400 Hz beträgt, und
das Schwingungsgebilde unter Beachtung der vorgenannten Bemessungsangaben gefertigt wird.