DE102011079659B4

DE102011079659B4 - Vorrichtung zur Überwachung und/oder Bestimmung des Erreichens eines Grenzfüllstands einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102011079659B4
Application number: DE102011079659.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Pfeiffer; Martin Urban; Sascha D'Angelico
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2031-07-23
Also published as: DE102011079659A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Überwachung und/oder Bestimmung eines Grenzfüllstands eines flüssigen Mediums (10) in einem Behälter (9), mit- einem Gehäuse (2), wobei mindestens ein Abschnitt einer Gehäusewandung als unter Druck verformbarer Verformungskörper (21) ausgestaltet ist,- mindestens einem biegbaren oder zu Biegeschwingungen anregbaren länglichen Biegeelement (3, 31, 32), welches mit beiden Endbereichen in einem Inneren des Gehäuses (2) befestigt ist, wobei ein erster Endbereich mit dem Verformungskörper (21) gekoppelt ist, wobei ein zweiter Endbereich mit einem von dem Verformungskörper (21) verschiedenen Abschnitt des Gehäuses (2) gekoppelt ist, und wobei die Längsachse (L1) des Biegeelements (3, 31, 32) in einer Ruheposition im Wesentlichen senkrecht zu einer Grundfläche des Verformungskörpers (21) ausgerichtet ist,- und einer Detektionseinheit (6), welche eine Verbiegung des Biegeelements (3, 31, 32) detektiert und das Erreichen des Grenzfüllstands signalisiert,wobei die Vorrichtung (1) derart unterhalb des zu bestimmenden und/oder zu überwachenden Grenzfüllstands anordenbar ist, dass sich das Gehäuse (2) derart durch eine Öffnung in einer Wandung des Behälters (9) in ein Inneres des Behälters (9) erstreckt, dass der hydrostatische Druck des Mediums (10) zumindest auf den Verformungskörper (21) wirkt,dadurch gekennzeichnet,dass das Biegeelement (3) derart ausgestaltet und vorgespannt ist, dass es von einem im Wesentlichen geraden Zustand in einen gebogenen Zustand übergeht, wenn der mit dem zu bestimmenden Grenzfüllstand einhergehende Druck auf den Verformungskörper (21) einwirkt,dass ein Kompensationselement (33) in das Gehäuse (2) eingebracht ist, welches als Biegeelement ausgestaltet ist, unddass das Kompensationselement (33) derart angeordnet ist, dass dessen Längsachse (L2) parallel zu der Längsachse (L1) des Biegeelements (3) verläuft und dass die beiden Endbereiche des Kompensationselements (33) jeweils an einem von dem Verformungskörper (21) verschiedenen Abschnitt des Gehäuses (2) befestigt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Bestimmung des Erreichens eines Grenzfüllstands eines flüssigen Mediums in einem Behälter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Anspruchs.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung offenbart die DE 10 2007 057 124 A1 .
Messgeräte, welche das Erreichen eines bestimmten Grenzfüllstands eines Mediums in einem Behälter bestimmen, kommen häufig zur Überfüllsicherung oder als Trockenlaufsicherung von Pumpen zum Einsatz. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise so genannte Schwinggabeln als Grenzstandschalter bekannt. Diese weisen zwei gabelartig angeordnete Schwingstäbe auf, welche zu mechanischen Schwingungen auf ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden, und auf der zu überwachenden Füllstandshöhe im Behälter angeordnet werden. Die Resonanzfrequenz einer von Medium bedeckten Schwinggabel unterscheidet sich von derjenigen einer frei in Luft schwingenden, sodass aus einer Frequenzänderung auf das Erreichen des Grenzfüllstands geschlossen werden kann. Ein Problem bei dieser Art von Grenzstandschaltern stellt an der Schwinggabel anhaftender Ansatz dar, welcher sich beispielsweise bei der Anwendung in hochviskosen Flüssigkeiten bildet. Damit dieser nicht zu fehlerhaften Bedecktanzeigen führt sind Maßnahmen zu dessen Erkennung erforderlich.
Weiterhin bekannt sind so genannte Membranschwinger, bei welchen die schwingfähige Einheit nur aus einer Membran besteht. Hier stellen an der Membran anhaftende Gasblasen einen Störfaktor dar.
Ein alternatives Messprinzip liegt so genannten Schwimmern zu Grunde. Ein in den Behälter eingebrachter Schwimmer treibt auf Grund des Auftriebs an der Oberfläche der Flüssigkeit und kann somit die Füllstandshöhe der Flüssigkeit anzeigen. Ein Nachteil dieses Messprinzips ist jedoch, dass Schwimmer als bewegliche Teile verschleißanfällig sind.
Die DE 692 14 540 T2 offenbart eine Ausgestaltung, bei der eine Blattfeder mit einer Membran verbunden ist. Die Membran reagiert auf Druckänderungen.
Die DE 25 29 239 A1 beschreibt einen Grenzstandschalter mit einem Schwinger, der aus einer Masse, einer Membran und einer Erregerschaltung besteht. Die Masse ist auf der vom Medium abgewandten Seite der Membran durch sie elastisch gelagert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit welcher das Erreichen eines Grenzfüllstands eines flüssigen Mediums unabhängig von der Beschaffenheit des Mediums auf einfache Weise zuverlässig bestimm- und/oder überwachbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Bestimmung eines Grenzfüllstands eines flüssigen Mediums in einem Behälter mit den Merkmalen des ersten Anspruchs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass das Biegeelement, mit welchem letztendlich die Füllstandsbestimmung erfolgt, nicht in das Medium hineinragt. Der Verformungskörper dient lediglich als Übertragungsmittel und nicht der Messung selbst. Die Beschaffenheit des Mediums, wie beispielsweise die Viskosität und Neigung zur Ansatzbildung, oder ein bestimmter Gehalt an Gasblasen, welche am Verformungskörper anhaften können, stört die Messung daher nicht. Bei dem Verformungskörper handelt es sich beispielsweise um eine Membran, welche das üblicherweise abschnittsweise rohrförmige Gehäuse endseitig verschließt. Vorzugsweise ist die Membran kreisförmig. Die Grundfläche des Verformungskörpers ist im Ruhezustand, d.h. ohne Druckeinwirkung, vorzugsweise eben und derart ausgerichtet, dass eine vom Zentrum ausgehende Flächennormale in der Längsachse des Gehäuses enthalten ist.
Erfindungsgemäß ist das Biegeelement derart ausgestaltet und vorgespannt, dass es von einem im Wesentlichen geraden Zustand in einen gebogenen Zustand übergeht, wenn der mit dem zu bestimmenden Grenzfüllstand einhergehende Druck auf den Verformungskörper einwirkt. Das Biegeelement ist insbesondere entlang der Längsachse des Gehäuses ausgerichtet, sodass über den Verformungskörper auf das Biegeelement wirkende Kräfte nur axial und nicht seitlich wirken.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass die Detektionseinheit und das Biegeelement einen Schalter bilden, wobei die Detektionseinheit derart in dem Gehäuse angeordnet ist, dass der Schalter geöffnet ist, wenn sich das Biegeelement im geraden Zustand befindet, und dass der Schalter geschlossen ist, wenn sich das Biegeelement im gebogenen Zustand befindet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Kompensationselement in das Gehäuse eingebracht ist, welches als Biegeelement ausgestaltet ist, wobei das Kompensationselement derart angeordnet ist, dass dessen Längsachse parallel zu der Längsachse des Biegeelements verläuft und dass die beiden Endbereiche des Kompensationselements jeweils an einem von dem Verformungskörper verschiedenen Abschnitt des Gehäuses befestigt sind. Das Kompensationselement besitzt das gleiche temperaturabhängige Ausdehnungsverhalten wie das Biegeelement. Durch die Anbringung am steifen Gehäuse ist das Kompensationselement im Gegensatz zu dem Biegeelement jedoch nicht drucksensitiv. Der relative Abstand von Biegeelement und Kompensationselement hängt somit nur von dem auf den Verformungskörper wirkenden Druck ab. Ist die Detektionseinheit an bzw. auf dem Kompensationselement angeordnet, ist somit eine temperaturunabhängige Messung möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Biegeelement exzentrisch in dem Gehäuse angeordnet. Die Längsachse des Gehäuses und die Längsachse des Biegeelements fallen also nicht zusammen. Vorzugsweise ist die Exzentrizität nur gering. Bei exzentrischer Anordnung bewirkt ein zunehmender Druck auf den Verformungskörper eine von der Exzentrizität abhängige, kontinuierlich zunehmende Auslenkung des Biegeelements.
In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Vorspanneinrichtung auf, mittels welcher eine Vorspannung zumindest des Biegeelements einstellbar ist. Die Vorspanneinrichtung ist vorzugsweise mit der Befestigung des zweiten Endbereichs des Biegeelements gekoppelt und bewirkt eine Kraft in axialer Richtung, jedoch entgegengesetzt zu einer Kraft, welche über den Verformungskörper auf das Biegeelement einwirkt. In der Ausgestaltung mit einem Kompensationselement ist dieses vorzugsweise ebenfalls mit der Vorspanneinrichtung gekoppelt, sodass für das Biegeelement und das Kompensationselement die gleiche Vorspannung einstellbar ist.
In einer Ausgestaltung ist das Biegeelement eine Blattfeder. Insbesondere handelt es sich um eine dünne Blattfeder. Unter einer Blattfeder ist hierbei ein streifenförmiges Metallstück zu verstehen, beispielsweise aus Federstahl. Dünn bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass die Stärke der Blattfeder zwischen 100 und 500 Mikrometer beträgt, vorzugsweise etwa 200 Mikrometer.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Füllstandsmessung rein mechanisch, d.h. ohne Energiezufuhr in Form von elektrischem Strom. Das Biegeelement, beispielsweise eine Blattfeder, biegt sich ab einem gewissen, im Wesentlichen von der Ausgestaltung und Vorspannung des Biegeelements abhängigen axial wirkenden Druck, sodass sich ein Bauch ausbildet. Die Kraft, welche für ein Einknicken des Biegeelements aufzubringen ist, wird auch als Euler'sche Knicklast bezeichnet. Vorzugsweise ist das Biegeelement zumindest abschnittsweise metallisch. Als Detektionseinheit ist dann ein metallisches Kontaktstück benachbart zu dem Biegeelement derart angeordnet, dass der sich ausbildende Bauch das Kontaktstück berührt. Der so realisierte Schalter wird geschlossen und bewirkt eine Anzeige des Erreichens des Grenzfüllstands.
Es gilt, dass der Schaltpunkt unter anderem von der Materialstärke des Biegeelements abhängt und durch die Vorspannung vorgegeben ist. In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung daher Mittel zum Einstellen der Vorspannung auf, sodass der kritische Druck, bei welchem das Biegeelement abknickt bzw. nur noch in Moden oberhalb der Grundmode schwingt, vorgebbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 einen Messaufbau mit einer nicht erfindungsgemäßen dynamischen Variante einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung;
2 verschiedene Schwingungsmoden eines Biegeelements einer Vorrichtung nach 1;
3 eine nicht erfindungsgemäße statische Variante einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung;
4a eine erste temperaturkompensierte Ausgestaltung der Vorrichtung nach 3;
4b eine zweite temperaturkompensierte Ausgestaltung der Vorrichtung nach 3;
5 eine temperaturkompensierte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen statischen Variante der Vorrichtung mit einem exzentrisch angeordneten Biegeelement.

In 1 ist ein nicht erfindungsgemäßer Grenzstandschalter mit zwei im Ruhezustand ohne Schwingungen parallel zueinander und symmetrisch zu der Längsachse L des Gehäuses 2 angeordneten schwingfähigen Biegeelementen 31, 32 dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist auf einer Höhe d in die Wandung eines Behälters 10 eingebracht, wobei zumindest der Verformungskörper 21 in das Behälterinnere hineinragt. Die Befestigung erfolgt beispielsweise über ein Einschraubgewinde oder einen Flansch. In dieser Ausgestaltung ist der Verformungskörper 21 eine Membran und die Biegeelemente 31, 32 sind Blattfedern. An Stelle von Blattfedern sind beispielsweise Saiten gleichermaßen geeignet. Die Blattfedern bieten jedoch den Vorteil, dass die Antriebselemente 51 und die Empfangselemente 52 der Antriebs-/Empfangseinheit auf Grund der vorhandenen ebenen Fläche in einfacher Weise anbringbar sind. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Elementen 51, 52 um piezoelektrische Elemente, insbesondere um so genannte Bimorphpiezos. Die Antriebselemente 51 der Antriebs-/Empfangseinheit sind derart an den Biegeelementen 31, 32 befestigt, dass diese bei entsprechender Beaufschlagung der Antriebselemente 51 mit einer elektrischen Spannung gegensinnige Schwingungen ausführen. Im Fall von Bimorphpiezos sind die Antriebselemente 51 hierzu nahe der Einspannung des zweiten Endbereichs der Biegeelemente 31, 32 auf diesen angeordnet. Die Empfangselemente 52 sind hingegen auf halber Länge der Biegeelemente 31, 32 angebracht. Die Empfangselemente 52 führen der Detektionseinheit 6 elektrische Empfangssignale zu, an Hand derer die Detektionseinheit 6 die Schwingungen auswertet.
In einer alternativen Ausführungsform dienen die Elemente 51, 52 der Antriebs-/Empfangseinheit gleichzeitig als Antrieb und als Empfänger. Weiterhin können an Stelle von piezoelektrischen Elementen beispielsweise elektromagnetische Antriebs-/Empfangselemente zum Einsatz kommen.
In einer zu der dargestellten Ausgestaltung alternativen Ausgestaltung ist nur ein Biegeelement in dem Gehäuse 2 angeordnet und mit dem Verformungskörper 21 gekoppelt, wobei das allein stehende Biegeelement vorzugsweise entlang der Längsachse L bzw. Symmetrieachse des im Wesentlichen rohrförmigen Gehäuses 2 ausgerichtet ist. Die dargestellte symmetrische Ausführung bietet den Vorteil, dass das Schwingungssystem entkoppelt ist und keine Energie an das Gehäuse 2 übertragen wird. Besitzen die Biegeelemente 31, 32 verglichen mit dem Gehäuse 2 eine relativ geringe Masse, spielt die Entkopplung allerdings eine untergeordnete Rolle. Weitere in Verbindung mit 1 oder 2 beschriebene Merkmale gelten gleichermaßen für die Ausgestaltung mit nur einem Biegeelement.
Die Biegeelemente 31, 32 sind zwischen dem Verformungskörper 21 und der gegenüberliegenden Gehäuseendseite eingespannt. Diese gegenüberliegende Seite kann ebenfalls eine Membran sein, deren Wölbung einstellbar ist, beispielsweise über eine Schraube. Die Membran mit den Einstellmitteln stellt eine Vorspanneinrichtung 4 dar, mittels welcher eine Vorspannung der Biegeelemente 31, 32 mit einer Kraft Fv einstellbar ist. Über die Vorspannung ist der Schaltpunkt definierbar.
Bei bekannter Flüssigkeitsdichte ρ ist der zu überwachende Füllstand h des Mediums 10 über die hydrostatische Gleichung: $p_{o} = ρ \cdot g \cdot (h - d)$
eindeutig einem entsprechenden hydrostatischen Druck p₀ zuordenbar. Hierbei bezeichnet g die Erdbeschleunigung und d die Höhe, auf welcher die Vorrichtung 1 an dem Behälter 9 angebracht ist. Der hydrostatische Druck p₀ wirkt von außen auf den Verformungskörper 21, welcher wiederum axialen Druck auf das schwingfähige Biegeelement bzw. die Biegeelemente 31, 32 ausübt. Die Biegeelemente 31, 32 sind derart in dem Gehäuse 2 eingespannt, dass sie Schwingungen zumindest in der Grundmode durchführen, solange der über den Verformungskörper 21 auf das jeweilige Biegeelement 31, 32 einwirkende Druck unterhalb eines kritischen Drucks liegt. Steigt die Flüssigkeitsmenge im Behälter 9, erhöht sich der hydrostatische Druck p₀ und somit der über den Verformungskörper 21 auf die Biegeelemente 31, 32 ausgeübte Druck. Ist der kritische Druck erreicht, wird das Gleichgewicht der Biegeelemente 31, 32 gestört und die Schwingungen wechseln sprungartig in die nächste stabile Mode. Zusätzlich zu den Moden niedrigster Ordnung können Schwingungen in weiteren Moden angeregt sein.
Die Einstellung des kritischen Drucks, welcher mit der zu überwachenden Füllstandshöhe verbunden ist, erfolgt über die Vorspanneinrichtung 4. Je größer die Vorspannung der Biegeelemente 31, 32 ist, desto schneller ist der Instabilitätspunkt erreicht. Durch die Wahl der geeigneten Vorspannung ist somit der Schaltpunkt der Vorrichtung 1 entsprechend der jeweiligen zu detektierenden Füllstandshöhe einstellbar. Ein Anordnen der Vorrichtung 1 auf einer von der zu überwachenden Füllstandshöhe abhängigen Höhe im Behälter 9 ist daher nicht erforderlich.
Der Sprung in den Schwingungen der Biegeelemente 31, 32 geht mit einer sprunghaften Änderung der Schwingfrequenz einher. Wird die Vorrichtung 1 als Max-Schalter eingesetzt, erhöht sich die Schwingfrequenz beim Erreichen des kritischen Drucks, da dann die Schwingung in der Grundmode nicht mehr möglich ist. Wird die Vorrichtung 1 umgekehrt als Min-Schalter eingesetzt, sinkt die Frequenz der niederfrequentesten Schwingung sprunghaft auf die Frequenz der Grundschwingung ab. Die Detektionseinheit 6, bei welcher es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handelt, detektiert den jeweils auftretenden Frequenzsprung und erzeugt ein Schaltsignal, welches das Erreichen des Grenzfüllstands signalisiert.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines der Biegeelemente 31, 32 in Ruhelage, sowie bei der Schwingung in der Grundmode a - gepunktete Linie - und der zweiten Harmonischen b - gestrichelte Linie - dargestellt. Bei der Schwingung in der Grundmode erfährt die Mitte des Biegeelements 31 die stärkste Auslenkung, während die Endbereiche nahezu ruhen. Bei der Schwingung in der nächsthöheren Mode, der zweiten Harmonischen, stellt neben den eingespannten Endbereichen auch die Mitte des Biegeelements 31 einen Knotenpunkt dar. Es bilden sich daher zwei Schwingungsbäuche aus, welche gegenphasig schwingen. Der Schaltpunkt zwischen diesen beiden Moden ist durch die Eulerschen Knicklasten beschrieben.
Zur Detektion der Schwingungen sind zwei Varianten besonders geeignet. In einer ersten Ausgestaltung ist ein Empfangselement 52 in der Mitte eines Biegeelements 31, 32 angeordnet, d.h. in dem Bereich, welcher bei der Schwingung in der Grundmode am stärksten ausgelenkt wird und welcher bei der Schwingung mit der zweiten Harmonischen nahezu ruht. Diese Ausgestaltung ist in 1 dargestellt. Gemäß einer zweiten Ausgestaltung weist die Antriebs-/Empfangseinheit zwei piezoelektrische Empfangselemente 52 auf, welche jeweils in den Bereichen stärkster Auslenkung bei der Schwingung mit der zweiten Harmonischen angeordnet sind. Durch die gegenphasige Schwingung der beiden Hälften kompensieren sich die Signale der beiden Empfangselemente 52 dann gegenseitig. Bei der Schwingung in der Grundmode hingegen werden beide Empfangselemente 52 in die gleiche Richtung ausgelenkt, sodass sich ihre Signale zu einem von Null deutlich verschiedenen Spannungswert addieren.
3 zeigt den schematischen Aufbau einer statischen Variante einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese Variante bietet den Vorteil, dass sie energiefrei, d.h. ohne Zufuhr elektrischer Energie von außen, funktioniert. Das Biegeelement 3 ist wie im schwingenden Fall zwischen einem Verformungskörper 21 und einer Vorspanneinrichtung 4 in dem Gehäuse 2 angeordnet. Hierbei ist das Biegeelement 3 ohne Exzentrizität, d.h. entlang der Längsachse L des Gehäuses 2 angeordnet, sodass nur eine axiale Kraft auf das Biegeelement 3 einwirkt. Zur Messung ist die Vorrichtung 1 derart auf der Höhe d eines zu überwachenden oder zu bestimmenden Füllstands in einem Behälter 9 angeordnet, dass der hydrostatische Druck p₀ des Mediums 10 in dem Behälter 9 gleichmäßig auf den Verformungskörper 21 wirkt. Der Verformungskörper 21 wird um U_z in Richtung des Inneren des Gehäuses 2 ausgelenkt. Bis zu einem von der Vorspannung des Biegeelements 3 abhängigen kritischen Druck auf den Verformungskörper 21 und einer damit einhergehenden Krafteinwirkung auf das Biegeelement 3 verbleibt das Biegeelement 3 in einem im Wesentlichen geraden Zustand. Ist der kritische Druck erreicht, knickt das Biegeelement 3 ein bzw. biegt es sich durch. Die Mitte des Biegeelements 3 springt hierbei von einer Position auf der Längsachse L in eine Position mit dem Abstand U_x von der Längsachse L.
Bevorzugt besteht die Detektionseinheit 6 im Wesentlichen aus einem metallischen Kontaktelement und einem Schaltkreis. Das metallische Kontaktelement ist derart benachbart zu dem Biegeelement 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet, dass das Biegeelement 3 das metallische Kontaktelement erst dann berührt, wenn es sich durchbiegt. Bei einer derartigen Berührung von Biegeelement 3 und Kontaktelement erzeugt die Detektionseinheit 6 ein Signal, welches das Erreichen des Grenzfüllstands anzeigt. Dieses Signal kann ein optisches oder akustisches sein. Es kann sich jedoch auch um ein elektrisches Schaltsignal handeln. Die Detektionseinheit 6 leitet das elektrische Schaltsignal beispielsweise an eine Leitwarte oder an einen nachgeordneten Aktor weiter, beispielsweise ein Ventil oder eine Pumpe. Im letzteren Fall dient der Grenzstandschalter als automatische Pumpensteuerung.
Ist die Prozesstemperatur starken Schwankungen unterworfen, ist zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Grenzstanderfassung eine Temperaturkompensation erforderlich. Ohne Kompensation würde eine starke Temperaturänderung eine merkliche Längenänderung des Biegeelements 3 und somit eine Änderung dessen Spannung bewirken, wodurch sich der Schaltpunkt verschieben würde. In 4a, 4b und 5 sind alternative Realisierungsformen einer temperaturkompensierten Vorrichtung 1 auf statischem Prinzip gezeigt. In den 4a und 4b wurde der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung der Detektionseinheit 6 verzichtet.
Bei der in 4a gezeigten Vorrichtung 1 ist das Biegeelement 3 zwischen dem Verformungskörper 21 und dem Boden 72 eines zylindrischen topfförmigen Elements 7 angeordnet. Das Biegeelement 3 ist derart ausgerichtet, dass dessen Längsachse mit der Längsachse L des Gehäuses 2 zusammenfällt. Obgleich nicht dargestellt ist auch hier eine Vorspanneinrichtung vorteilhaft, mittels welcher eine bestimmte Vorspannung des Biegeelements 3 einstellbar ist.
Das topfförmige Element 7 weist einen Randbereich 71 auf, welcher fest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Randbereich 71 und Boden 72 sind über eine Wandung 73 miteinander verbunden. Über die feste Verbindung mit dem Gehäuse 2 fließt bei Erwärmung des Gehäuses 2 ein Wärmestrom über die Kontaktstelle in das topfförmige Element 7. Das topfförmige Element 7 ist derart positioniert, dass dessen Längsachse mit der Längsachse des Gehäuses 2 zusammenfällt und dass der Verbindungsbereich mit dem Gehäuse 2 nahe des Verformungskörpers 21 liegt. Der Randbereich 71 nimmt somit stets im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie der Verformungskörper 21 an und leitet diese nach innen, sodass das topfförmige Element 7 ebenfalls die gleiche Temperatur aufweist.
Im Falle einer Temperaturänderung erfährt das Biegeelement 3 eine bestimmte Längenänderung, welche von der Länge des Biegeelements 3 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Biegeelements 3 abhängt. Die Wandung 73 des topfförmigen Elements 7 erfährt ebenfalls eine entsprechende Längenänderung. Das Biegeelement 3 und das topfförmige Element 7 sind nun vorteilhaft derart dimensioniert und aufeinander abgestimmt, dass sich das Biegeelement 3 und die Wandung 73 des topfförmigen Elements 7 bei einer Temperaturänderung in axialer Richtung gleichermaßen ausdehnen oder kontrahieren. Hierdurch wird erreicht, dass die Spannung des Biegeelements 3 nur von dem über den Verformungskörper 21 auf das Biegeelement 3 wirkenden Druck abhängt und nicht durch die Temperatur beeinflusst wird.
Sind das topfförmige Element 7 und das Biegeelement 3 aus dem gleichen Material gefertigt, sollte eine parallel zur Längsachse verlaufende Wandung 73 entsprechend die gleiche Länge wie das Biegeelement 3 aufweisen. Um dies zu erreichen ist das Verbindungsteil zwischen Verformungskörper 21 und Biegeelement 3 entsprechend zu dimensionieren. Im dargestellten Fall ist das Biegeelement 3 länger als die Wandung 73, d.h. es ist der Fall dargestellt, in welcher der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Biegeelements 3 geringer ist als derjenige des Materials des topfförmigen Elements 7.
4b illustriert die Temperaturkompensation über eine Halterungsmembran 8. Das Biegeelement 3 ist im Zentrum der Halterungsmembran 8 angeordnet und fest mit dieser verbunden, beispielsweise über eine Schweißverbindung. Die Halterungsmembran 8 wiederum ist mit ihrem Randbereich fest mit dem Gehäuse 2 verbunden und weist eine Wölbung auf. Weiterhin ist die Halterungsmembran 8 derart ausgestaltet, dass sie eine hohe Steifigkeit besitzt. Bei Krafteinwirkung auf das Biegeelement 3 über den Verformungskörper 21 übt die Halterungsmembran 8 eine entsprechende Rückstellkraft auf das Biegeelement 3 aus, sodass die kritische Last, bei welcher das Biegeelement 3 einknickt, durch die Halterungsmembran 8 nicht beeinflusst wird.
Bei einer Temperaturänderung verformt sich die vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehende Halterungsmembran 8 auf Grund von an den Verbindungsstellen mit dem Gehäuse 2 wirkenden radialen Kräften. Die verformte Halterungsmembran 8 ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Die Halterungsmembran 8 ist so dimensioniert, dass deren Zentrum bei einer Temperaturänderung eine Auslenkung ΔI(T) in axialer Richtung erfährt, welche der Längenänderung des Biegeelements 3 abzüglich der Längenänderung des Gehäuses 2 in diese Richtung entspricht. Hierdurch ist eine temperaturbedingte Ausdehnung des Biegeelements 3 kompensiert, sodass die auf das Biegeelement 3 wirkende Kraft stets nur durch den hydrostatischen Druck bestimmt ist.
In einer in 5 dargestellten weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist das Biegeelement 3 nicht zentral, d.h. entlang der Längsachse L angeordnet, sondern mit einer bestimmten Exzentrizität e. Die Längsachse L1 des Biegeelements 3 verläuft parallel zur Längsachse L des Gehäuses 1 und weist einen Abstand e von der Längsachse L auf. Die Exzentrizität e ist vorzugsweise gering, beispielsweise ist e=0,1mm bis 1mm. Durch die exzentrische Anordnung ist das Kraft-Weg-Verhalten des Biegeelements 3 vorgebbar, sodass das Biegeelement 3 in eine vorgebbare Vorzugsrichtung ausgelenkt wird. Weiterhin wird durch die Exzentrizität eine kontinuierlich wachsende Auslenkung an Stelle eines plötzlichen Sprungs bei Erreichen einer kritischen Last bewirkt.
Neben dem mit dem Verformungskörper 21 gekoppelten Biegeelement 3 ist ein weiteres, zu dem Biegeelement 3 im Wesentlichen identisch ausgestaltetes Kompensationselement 33 in dem Gehäuse 2 angeordnet. Zumindest sind Länge und Material von Kompensationselement 33 und Biegeelement 3 gleich, sodass beide Elemente 3, 33 das gleiche Temperaturverhalten zeigen. Das Kompensationselement 33 ist im Gegensatz zu dem Biegeelement 3 jedoch nicht an dem Verformungskörper 21 befestigt, sondern an einem Vorsprung 22 des Gehäuses 2. Das Gehäuse 2 ist steif und verformt sich bei einer Änderung des hydrostatischen Drucks p_o allenfalls unwesentlich. Die Ausrichtung des Kompensationselements 33 ist gleich der des zur Messung verwendeten Biegeelements 3, d.h. die Längsachse L2 des Kompensationselements 33 verläuft parallel zur Längsachse L des Gehäuses 2.
Bei einer Temperaturänderung erfahren das Biegeelement 3 und das Kompensationselement 33 die gleiche Auslenkung U_x(T). Sie weisen daher bei unverformtem Verformungskörper 21 stets den gleichen Abstand zueinander auf. Wirkt nun zusätzlich ein Druck p_o auf den Verformungskörper 21 und somit eine axiale Kraft auf das Biegeelement 3, erfährt das Biegeelement 3 eine zusätzliche Auslenkung U_x(p₀) in Richtung des Kompensationselements 33.
An dem Kompensationselement 33 ist die Detektionseinheit 6 derart angeordnet, dass das Biegeelement 3 die Detektionseinheit 6 bei einer bestimmten Auslenkung, welche mit einem gewünschten kritischen Druck auf den Verformungskörper 21 einhergeht, berührt. Vorzugsweise befindet sich die Detektionseinheit 6 mittig, d.h. am Ort maximaler Auslenkung des Kompensationselements 33. Die Detektionseinheit 6 und das Biegeelement 3 bilden einen Schalter, sodass bei Erreichen des kritischen Drucks die Schaltfunktion ausgelöst wird. Der kritische Druck und somit die zu überwachende Füllstandshöhe sind über die Vorspanneinrichtung 4 einstellbar, an welcher sowohl das Biegeelement 3 als auch das Kompensationselement 33 befestigt sind. Hierdurch ist für beide Elemente 3, 33 die gleiche Vorspannung vorgebbar und das gleiche Temperaturverhalten gewährleistet.
Die in 5 dargestellte Variante mit dem als weiteres Biegeelement ausgestalteten Kompensationselement 33 ist gleichermaßen auf ein zentral, d.h. wie in 3 dargestellt ohne Exzentrizität in dem Gehäuse 2 angeordnetes Biegeelement 3 anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gehäuse
21: Verformungskörper
22: Vorsprung
3: Biegeelement
31: Erstes Biegeelement
32: Zweites Biegeelement
33: Kompensationselement
4: Vorspanneinrichtung
51: Antriebselement
52: Empfangselement
6: Detektionseinheit
7: Topfförmiges Element
71: Randbereich
72: Boden
73: Wandung
8: Halterungsmembran
9: Behälter
10: Medium
L: Längsachse des Gehäuses
L1: Längsachse des Biegeelements
L2: Längsachse des Kompensationselements

Claims

Vorrichtung (1) zur Überwachung und/oder Bestimmung eines Grenzfüllstands eines flüssigen Mediums (10) in einem Behälter (9), mit - einem Gehäuse (2), wobei mindestens ein Abschnitt einer Gehäusewandung als unter Druck verformbarer Verformungskörper (21) ausgestaltet ist, - mindestens einem biegbaren oder zu Biegeschwingungen anregbaren länglichen Biegeelement (3, 31, 32), welches mit beiden Endbereichen in einem Inneren des Gehäuses (2) befestigt ist, wobei ein erster Endbereich mit dem Verformungskörper (21) gekoppelt ist, wobei ein zweiter Endbereich mit einem von dem Verformungskörper (21) verschiedenen Abschnitt des Gehäuses (2) gekoppelt ist, und wobei die Längsachse (L1) des Biegeelements (3, 31, 32) in einer Ruheposition im Wesentlichen senkrecht zu einer Grundfläche des Verformungskörpers (21) ausgerichtet ist, - und einer Detektionseinheit (6), welche eine Verbiegung des Biegeelements (3, 31, 32) detektiert und das Erreichen des Grenzfüllstands signalisiert, wobei die Vorrichtung (1) derart unterhalb des zu bestimmenden und/oder zu überwachenden Grenzfüllstands anordenbar ist, dass sich das Gehäuse (2) derart durch eine Öffnung in einer Wandung des Behälters (9) in ein Inneres des Behälters (9) erstreckt, dass der hydrostatische Druck des Mediums (10) zumindest auf den Verformungskörper (21) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegeelement (3) derart ausgestaltet und vorgespannt ist, dass es von einem im Wesentlichen geraden Zustand in einen gebogenen Zustand übergeht, wenn der mit dem zu bestimmenden Grenzfüllstand einhergehende Druck auf den Verformungskörper (21) einwirkt, dass ein Kompensationselement (33) in das Gehäuse (2) eingebracht ist, welches als Biegeelement ausgestaltet ist, und dass das Kompensationselement (33) derart angeordnet ist, dass dessen Längsachse (L2) parallel zu der Längsachse (L1) des Biegeelements (3) verläuft und dass die beiden Endbereiche des Kompensationselements (33) jeweils an einem von dem Verformungskörper (21) verschiedenen Abschnitt des Gehäuses (2) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (6) und das Biegeelement (3) einen Schalter bilden, wobei die Detektionseinheit (6) derart in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, dass der Schalter geöffnet ist, wenn sich das Biegeelement (3) im geraden Zustand befindet, und dass der Schalter geschlossen ist, wenn sich das Biegeelement (3) im gebogenen Zustand befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Biegeelement (3) exzentrisch in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung (1) eine Vorspanneinrichtung (4) aufweist, mittels welcher eine Vorspannung zumindest des Biegeelements (3, 31, 32) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Biegeelement (3, 31, 32) eine Blattfeder ist.