DE19720519A1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter - Google Patents
Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem BehälterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder
Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die DE 17 73 815 A1 ist eine Vorrichtung zur Feststellung des Füll
standes eines Behälters bekannt geworden, der eine Sonde mit einem in den
Behälter ragenden Schwingstab, eine Einrichtung zur Erregung von mecha
nischen Eigenschwingungen des Schwingstabes und eine Anzeigeeinrichtung
aufweist. Zum Schwingstab ist parallel ein zweiter Schwingstab vorgesehen,
wobei beide Stäbe in gegensinnige Schwingungen versetzt werden. Des
weiteren sind zwei elektromechanische Wandler vorgesehen, die die Schwin
gungen der Stäbe in elektrische Signale umwandeln, deren Amplitude von der
Schwingungsamplitude der Stäbe abhängt.
Durch die DE 33 48 119 ist eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder
Überwachung eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter bekannt
geworden, welche ein mechanisches Schwingungsgebilde aus zwei
Schwingstäben aufweist, die von einer piezoelektrischen
Erregungseinrichtung zu mechanischen Schwingungen angeregt werden,
deren Frequenz von der Umgebung der Schwingstäbe abhängt, insbesondere
von der Höhe des Füllstandes. Die mechanische Schwingung des
Schwingungsgebildes wird mit einem piezoelektrischen Empfangswandler
wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, das verstärkt wird und dessen
Frequenz in einer Wandlerschaltung ausgewertet wird. Das verstärkte Signal
dient als Eingangssignal der Erregungseinrichtung. Die Wandlerschaltung ist
so gestaltet, daß sie das Ausgangssignal des Empfangswandlers in ein
Rechtecksignal umwandelt, dessen Periodendauer in einer
Zeitvergleichsschaltung mit einer vorbestimmten Referenzdauer verglichen
wird. Fällt dieser Vergleich über einen längeren Zeitraum von mehreren
Perioden negativ aus, so gibt ein elektrisches Schaltelement ein
Ausgangssignal ab.
Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen zur Füllstandsüberwachung ist,
daß der mechanische Aufbau mit Erregungseinrichtung und separatem
Empfangswandler aufwendig und teuer ist. Bedingt durch den mechanischen
Aufbau ist auch der Stromverbrauch einer derartigen Vorrichtung relativ
hoch, denn es sind hohe Signalhöhen zur Erregung einer mechanischen
Schwingung mit so hoher Amplitude nötig, daß die Schwingung noch
zuverlässig mit dem Empfangswandler detektiert werden kann, da sich
Erregungseinrichtung und Empfangswandler die zur Verfügung stehende
Kontaktfläche zum Schwingungsgebilde teilen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der unter Verringerung das
Aufwands des mechanischen Aufbaus und der Betriebskosten Änderungen der
Schwingungsfrequenz oder der Amplitude der induzierten Schwingung bei
Änderungen des Füllstandes zuverlässig detektiert werden können.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Vorrichtung der
genannten Gattung, bei welcher Erregungseinrichtung und Empfangswandler
in ihren wesentlichen Bestandteilen übereinstimmen, insbesondere das
gleiche Piezoelement oder die gleichen Piezoelemente zur Erregung und zur
Detektion der Schwingung verwendet ist/sind, so daß über dem Piezoelement
eine Wechselspannung liegt, deren Signalform vom Eingangssignal und von
der Antwortspannung des Schwingungsgebildes bestimmt ist, im allgemeinen
die Summe aus Eingangssignal und Antwortspannung ist. Weiterhin wird das
Eingangssignal der Erregungeinrichtung zusätzlich einem Referenzelement
aufgegeben, welches der Erregungseinrichtung parallel geschaltet ist, wobei
das Referenzelement so gestaltet ist, daß sein Ausgangssignal zu dem
Ausgangssignal der Erregungeinrichtung im Falle der Nichtankopplung eines
Schwingungsgebildes proportional ist. Die Differenz zwischen dem
Ausgangssignal der Erregungeinrichtung und dem Ausgangssignal des
Referenzelements wird in der Wandlerschaltung verstärkt und dient zur
Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandler- bzw. Auswerteschaltung,
welches als Eingangssignal der Erregungeinrichtung und des
Referenzelements verwendet wird, so daß ein elektrisch schwingfähiges
System entsteht. Die Frequenz oder die Amplitude des Ausgangssignals der
Wandlerschaltung wird in einer Logikschaltung mit einer vorbestimmten
Referenzfrequenz bzw. -amplitude verglichen, wobei ein Schaltelement daran
ein Signal erzeugt, wenn die tatsächliche Frequenz oder Amplitude die
Referenzfrequenz bzw. -amplitude für eine vorbestimmte Zeit über- oder
unterschreitet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den Vorteil, daß die
Schwingungserregung des Schwingungsgebildes und die Detektion der
mechanischen Schwingung mit demselben Piezoelement durchgeführt wird,
daß also Erregungseinrichtung und Empfangswandler in einem Bauelement
integriert sind. Im folgenden wird stets von einem Piezoelement ausgegangen,
es kann jedoch auch ein Array von Piezoelementen zur Anregung und zur
Detektion der Schwingung verwendet werden.
Die Integration von Erregungseinrichtung und Empfangswandler in einen
Bauelement hat zur Folge, daß die zur Verfügung stehende, durch die
mechanische Gestaltung der Vorrichtung begrenzte Kontaktfläche zur
Übertragung der mechanischen Schwingung des Piezoelements auf das
Schwingungsgebilde sowie zur Übertragung der Schwingung des
Schwingungsgebildes auf das Piezoelement sowohl für die Erregung als auch
für den Empfang voll ausgenutzt werden kann. Die Erregung erfolgt durch
das Anlegen einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung als
Eingangssignal an die Erregungseinrichtung. Das Piezoelement verformt sich
mit der Frequenz des Eingangssignals und regt das Schwingungsgebilde zu
Schwingungen mit eben dieser Frequenz an.
Vorteilhaft stimmt die Frequenz des Eingangssignals schon bei der ersten
25 Erregung des Schwingungsgebildes durch einen Pulsgenerator mit der
Eigenfrequenz des Schwingungsgebildes überein. Dann ist die Amplitude der
erregen mechanischen Schwingung bei gleicher Erregungsleistung am größten
und die Detektion der Schwingung weniger fehleranfällig. Nach Abkopplung
des Pulsgenerator ist durch die Rückkopplung des Ausgangssignals der
Wandlerschaltung auf die Erregungseinrichtung grundsätzlich sichergestellt,
daß das Schwingungsgebilde stets mit seiner Eigenfrequenz erregt wird.
Diese Eigenfrequenz hängt von der Gestaltung des Schwingungsgebildes,
insbesondere von der Länge und Masse der Schwingstäbe und der
Federsteifigkeit der Ansatzstelle der Schwingstabe ab. Sie wird durch das die
Schwingstäbe umgebende Medium modifiziert, und wird also von der
Eintauchtiefe bzw. dem Füllstand und von der Art des Mediums, insbesondere
von der durch die Bewegung der Schwingstäbe mitgeführten Masse,
beeinflußt. Daher ist die Eigenfrequenz eine geeignete Meßgröße zur
Bestimmung des Füllstandes von flüssigen Medien, in welchen durch die
Bewegung der Schwingstäbe Masse mitgeführt wird, falls die Dämpfung nicht
eine Schwingung weitgehend verhindert.
Neben der Frequenz enthält auch die Amplitude der erzwungenen
Schwingung des Schwingungsgebildes Informationen über die Höhe des
Füllstandes. Die Amplitude ist umso kleiner, je größer die Dämpfung der
Schwingstäbe durch das Medium ist, sie nimmt daher im allgemeinen ab, je
tiefer das Schwingungsgebilde in das Medium eintaucht. Bei Medien mit
starker Dämpfung wie zähen Flüssigkeiten oder körnigen Feststoffen ändert
sich die Amplitude der Schwingung stark mit dem Füllstand und kann daher
zu einer zuverlässigen Füllstandsanalyse ausgewertet werden.
Zur Auswertung des Antwortsignals des Schwingungsgebildes muß dieses
zunächst von dem Antwortsignal der Erregungseinrichtung bzw. des damit
zusammengefaßten Empfangswandlers, vorzugsweise realisiert durch ein mit
einem Widerstand in Reihe geschaltetes Piezoelement, getrennt werden. Das
sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, dem kombinierten Erregungs- und
Empfangselement ein Referenzelement parallelzuschalten. Das
Referenzelement liefert ein Ausgangssignal, welches zum Ausgangssignal das
Erregungs- und Empfangselements im Falle eines abgekoppelten
Schwingungsgebildes proportional ist, also ohne das überlagerte
Antwortsignal des Schwingungsgebildes. Das Antwortsignal wird daran
innerhalb der Wandlerschaltung durch Differenzbildung, vorzugsweise mit
einem Differenzverstärker, der Ausgangssignale des kombinierten Erregungs-
und Empfangselements und des Referenzelements ermittelt. In jedem Fall hat
das Ausgangssignal der Wandlerschaltung die gleiche Frequenz wie das
Antwortsignal des Schwingungsgebildes, die Pulsform wird durch die
Gestaltung der Wandlerschaltung bestimmt, insbesondere durch deren
Verstärkung.
Das Ausgangssignal der Wandlerschaltung dient als Eingangssignal für die
Erregungseinrichtung sowie für das Referenzelement. Ist die Schwingung mit
dieser Rückkopplung einmal in Gang gesetzt worden, kann der Pulsgenerator
abgekoppelt werden. Die Schwingung des Schwingungsgebildes wird somit
durch die Rückkopplung auf ihrer momentanen Eigenfrequenz stabilisiert.
Abhängig davon, ob die Amplitude oder die Frequenz des Antwortsignals der
Wandlerschaltung als relevante Größe ausgewertet werden soll, kann die
Wandlerschaltung verschieden gestaltet werden.
Bei Auswertung der Frequenz ist eine möglichst hohe Schleifenverstärkung
des schwingfähigen elektromechanischen Systems bestehend aus dem
Schwingungsgebilde, das mit seinem rückgekoppelten und verstärkten
Ausgangssignal erregt wird, von Vorteil. Die Schwingung sollte nicht durch
Dämpfung des Schwingungsgebildes zum Erliegen gebracht werden können.
Eine hohe Schleifenverstärkung wird vorzugsweise durch Übersteuern eines
Verstärkers innerhalb der Wandlerschaltung oder durch einen
Nulldurchgangs-Komparator realisiert, so daß das Ausgangssignal der
Wandlerschaltung ein nahezu rechteckförmiges Signal ist. Ein derartiges
Signal eignet sich zur Ansteuerung der Erregungseinrichtung und ersetzt den
Pulsgenerator. Auch lineare Verstärkung des Antwortsignals mit einem
sinusförmigen Ausgangssignal ist möglich, solange die Amplitude des
Ausgangssignals noch ausreicht, eine nicht gedämpfte Schwingung des
Schwingungsgebildes aufrecht zu erhalten. Sicherer und zuverlässiger ist
jedoch, durch Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit
fester Amplitude eine gleichbleibende Erregung zu gewährleisten, um ein
Abklingen der Schwingung zu verhindern. Um höhere Harmonische der
Eigenfrequenz herauszufiltern und zur Phasendrehung für eine optimale
Rückkopplung ist es von Vorteil, innerhalb der Wandlerschaltung einen
Tiefpaß vorzusehen.
Die Frequenz bzw. Periodendauer des Ausgangssignals kann mit bekannten
Frequenzauswertemethoden ausgewertet werden. Vorteilhaft ist dazu eine
Logikschaltung bestehend aus wenigstens vier monostabilen Flipflops, wobei
zwei Flipflops ein Zeitfenster mit vorbestimmter Breite und einstellbarer
Verzögerung zur negativen Flanke des Komparators generieren, ein drittes
Flipflop einen Impuls generiert, wenn die positive Flanke des Komparators
innerhalb des Zeitfensters liegt, und ein viertes Flipflop die Dauer dieses
Impulses verlängert. Vorzugsweise ist die Verzögerung so eingestellt, daß die
positive Flanke des Komparators in der Mitte des Zeitfensters liegt, wenn das
Schwingungsgebilde in Luft schwingt. Damit wird die Periodendauer mit
einem vorbestimmten Referenz-Zeitintervall verglichen, das z. B. der Frequenz
beim zu detektierenden Füllstand entspricht. Ein elektrisches Schaltelement,
schaltet mit einer Verzögerung beim Vorliegen des Impulses des vierten
Flipflops.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nicht die
Frequenz der Schwingung des Schwingungsgebildes ausgewertet, sondern
deren Amplitude. In diesem Fall wird die Erregungseinrichtung mit einem
Ausgangssignal der Wandlerschaltung betrieben, welches proportional zur
Amplitude der erzwungenen Schwingung des Schwingungsgebildes ist. Wird
das Schwingungsgebilde durch das Medium stark gedämpft, so nimmt die
Schwingungsamplitude durch die schwächer werdende Rückkopplung bei
Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes ab, gegebenenfalls bricht die
Schwingung ab. Das Unter- oder Überschreiten einer vorbestimmten
Amplitude wird mittels eines Komparators ermittelt und mit einer
Verzögerung durch das Schalten eines elektrischen Schaltelements angezeigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung mit zwei parallelen Schwingstäben
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Funktionsprinzips
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
Frequenzauswertung
Fig. 4 die Darstellung des zeitlichen Verlaufs verschiedener Impulse.
Fig. 1 zeigt schematisch die mechanischen Komponenten einer Vorrichtung
zur Füllstandsüberwachung mit zwei parallelen Schwingstäben 2 als
Schwingungsgebilde. Die Vorrichtung ist üblicherweise an einem Behälter
befestigt, wobei die Schwingstäbe ins Behälterinnere ragen und ganz oder
teilweise mit Medium bedeckt sind. Falls der Füllstand eine bestimmte Höhe
über- oder unterschreitet, soll die Vorrichtung ein Schaltsignal abgeben.
Wesentlicher Bestandteil der Erregungseinrichtung 3 ist ein einzelnes
Piezoelement 5, welches mit einer Isolierschicht 8 isoliert auf den Boden 9 des
Schwingungsgebildes aufgeklebt ist. Das Piezoelement wird an seinen
Kontaktflächen 6 und 7 mittels Elektroden mit einem Eingangssignalgeber
verbunden.
Der piezoelektrische Effekt wird ausgenutzt: An die Kontaktflächen 6, 7 des
piezoelektrischen Elements 5 wird eine elektrische Spannung angelegt.
Dadurch verändert sich der Durchmesser bei einem kreisscheibenförmigen
Piezoelement oder die Maße einer Piezoplatte. Bei Verwendung einer
Wechselspannung werden die Maße wechselweise vergrößert und verkleinert.
Dadurch verändern sich auch die Maße des Bodens 9 des
Schwingungsgebildes. Die auf der dem Piezoelement abgewandten Seite des
Bodens angebrachten Schwingstäbe schwingen mit der Frequenz der zur
Erregung an das Piezoelement angelegten Wechselspannung.
Ohne äußere Erregung schwingen die Schwingstäbe 2 bei in Gang gesetzter
Schwingung mit ihrer Eigenfrequenz. Diese Eigenfrequenz ist u. a. abhängig
von der Länge und Masse der Schwingstäbe, der Federsteifigkeit des Bodens
und dem Medium, welches bei der Schwingung der Schwingstäbe mitbewegt
wird. Damit enthält die Frequenz der Schwingung Informationen über die
Füllstandshöhe und kann dahingehend ausgewertet werden. Auch die
Amplitude der Schwingung eignet sich aufgrund der füllstandbedingten
Dämpfung zur Auswertung und Füllstandsanalyse.
Durch die Schwingung verändern sich die Maße des Bodens. Dadurch
verändern sich auch die Maße des auf den Boden aufgeklebten Piezoelements,
das hier gleichzeitig als Empfangswandler 4 fungiert. Wie auch bei der
Erregung der Schwingung wird der piezoelektrische Effekt zur Wandlung der
mechanischen Verformung in ein elektrisches Signal ausgenutzt: Durch die
Veränderung der Maße des Piezoelements wird eine elektrische Spannung an
den Kontaktflächen 6, 7 erzeugt. Diese Spannung ist sinusförmig, da die
Schwingstäbe auch bei Erregung mit nicht sinusförmigen Pulsformen in guter
Näherung nur mit ihrer Grundfrequenz schwingen und höhere Harmonische
diese Grundfrequenz nicht angeregt werden.
Die Verwendung desselben Piezoelements als wesentlichen Baustein der
Erregungseinrichtung 11 sowie des Empfangswandlers 12 hat den großen
Vorteil, daß der Boden 9 der Schwingungseinrichtung voll für die Erregung
und für die Detektion genutzt werden kann. Damit kann die zur Erlangung
eines Antwortsignals gegebener Amplitude notwendige Spannung bzw.
Leistung vermindert werden.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild zur Darstellung des
Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Erregungseinrichtung 11 und Empfangswandler 12 sind in einem Bauelement
integriert. Schematisch ist das damit mechanisch verbundene
Schwingungsgebilde 10 angedeutet. Die Erregungseinrichtung wird mit
einem Eingangssignal betrieben, welches entweder von einem Pulsgenerator
18 erzeugt wird oder das über eine Rückkopplungsleitung 15 rückgekoppelte
Ausgangssignal einer Wandlerschaltung 14 ist.
Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung muß das Schwingungsgebilde zunächst
in Schwingung versetzt werden. Dazu kann der Pulsgenerator verwendet
werden, der das Schwingungsgebilde vorzugsweise mit dessen Eigenfrequenz
erregt, da dann die Amplitude der erzwungenen Schwingung am größten ist.
Diese Eigenfrequenz ändert sich jedoch mit der Höhe des Füllstandes und ist
meist die Größe, die zur Füllstandsanalyse ausgewertet wird. Eine dauerhafte
Erregung mit fester Frequenz ist daher nicht zweckmäßig. Vielmehr muß
sichergestellt sein, daß das Schwingungsgebilde stets resonant erregt wird, da
nur dann das Antwortsignal des Schwingungsgebildes die Information über
die Eigenfrequenz und damit die Füllstandshöhe trägt. Die resonante
Erregung wird durch eine Rückkopplung des Ausgangssignals der
Wandlerschaltung auf den Eingang der Erregungseinrichtung gewährleistet.
Dabei ist die Wandlerschaltung so gestaltet, daß sie ein Signal mit der
Frequenz des Antwortsignals erzeugt. Nach dem Ingangsetzen der
mechanischen Schwingung wird der Pulsgenerator abgekoppelt.
Aus der Verwendung desselben Piezoelements als wesentlichen Baustein der
Erregungseinrichtung 11 sowie des Empfangswandlers 12 ergibt sich das
Problem, daß das Ausgangssignal des kombinierten Erregungs- und
Empfangswandlers eine Überlagerung aus dem reinen Ausgangssignal der
Erregungseinrichtung ohne angekoppeltes Schwingungsgebilde und dem
Antwortsignal des Schwingungsgebildes darstellt. Das Antwortsignal des
Schwingungsgebildes ist jedoch diejenige Größe, die die Information über das
Schwingungsverhalten der Schwingstäbe und damit über den Füllstand trägt.
Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist daher das Referenzelement 13,
welches dem kombinierten Erregungs- und Empfangswandler parallal
geschaltet ist. Es wird mit demselben Eingangssignal wie dieser betrieben.
Das Referenzelement ist so gestaltet, daß es ein Ausgangssignal liefert,
welches mit dem Ausgangssignal so gut wie möglich übereinstimmt, das die
Erregungseinrichtung ohne Ankopplung eines Schwingungsgebildes, d. h.
ohne die Überlagerung von deren Antwortsignal, abgeben würde, oder zu
diesem Signal proportional ist. Ein konkretes Beispiel für die Realisation
eines derartigen Referenzelements ist in Fig. 3 gezeigt, wobei in Fig. 4 die
dabei gemessenen Eingangs- und Ausgangssignale erläutert werden.
Die Ausgangssignale von Empfangswandler 12 und Referenzelement 13
werden in der Wandlerschaltung 14 verknüpft und modifiziert. Da sich das
Ausgangssignal des Empfangswandlers aus dem ungestörten Ausgangssignal
ohne Ankopplung des Schwingungsgebildes und aus dessen Antwortsignal
additiv zusammensetzt, wird in der Wandlerschaltung die Differenz aus den
Ausgangssignalen der Elemente 12 und 13 ausgewertet. Diese Differenz
entspricht dem gesuchten Antwortsignal.
Das Antwortsignal wird in der Wandlerschaltung verstärkt und modifiziert.
Fig. 3 zeigt u. a. ein Beispiel der Wandlerschaltung, falls die Frequenz die
interessierende Größe ist. Sie erzeugt vorzugsweise ein Rechtecksignal, wobei
die Frequenz des Antwortsignals beibehalten wird. Ein derartiges Signal
eignet sich als Eingangssignal für Erregungseinrichtung und Referenzelement,
wodurch der elektromechanische Schwingkreis geschlossen ist, wenn es auf
den Eingang diese Elemente rückgekoppelt wird. Der Pulsgenerator kann
dann abgekoppelt werden. Wird die dämpfungsabhängige Amplitude des
Antwortsignals ausgewertet, z. B. zur Detektion des Füllstandes von sehr
viskosen Flüssigkeiten oder körnigen Feststoffen, so wird in der
Wandlerschaltung vor allem linear verstärkt und dieses Ausgangssignal auf
den Eingang von Erregungseinrichtung und Referenzelement gegeben.
Das Ausgangssignal wird in einer Logikschaltung 16 ausgewertet. Die
Frequenz oder Amplitude des Ausgangssignals wird mit einer vorbestimmten
Referenzfrequenz oder -amplitude verglichen, welche z. B. der
Schwingungsfrequenz oder der Amplitude bei dem Füllstand entspricht,
dessen Über- oder Unterschreiten angezeigt werden soll. Fällt dieser
Vergleich positiv aus, so gibt die Logikschaltung einen elektrischen Impuls an
ein elektrisches Schaltelement 17, ab welches mit einer Verzögerung schaltet
und das Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Füllstandes anzeigt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel der elektronischen Komponenten einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, weiche nach dem in Fig. 2 dargestellten
Prinzip verknüpft sind. Der prinzipielle zeitliche Verlauf der elektrischen
Impulse ist in Fig. 4 dargestellt.
Ein einzelnes Piezoelement 20 ist in Reihenschaltung mit einem Widerstand
21 an einen Rechteckgenerator 19 angeschlossen. Der Rechteckgenerator
erzeugt eine rechteckförmigen Wechselspannung Uin mit fester Frequenz,
welche der Eigenfrequenz des Schwingungsgebildes f0 in einem beliebigen
Zustand der Vorrichtung entspricht. Nach dem Anschwingen der
Schwingungsvorrichtung wird das Signal des Rechteckgenerators 19 durch
das Ausgangssignal der Wandlerschaltung 14' ersetzt, welches ebenfalls
rechteckförmig ist und mit der momentanen, tatsächlichen Eigenfrequenz f
des Schwingungsgebildes schwingt.
Das Piezoelement 20 hat eine Kapazität C, welche abhängig von seinen
Abmessungen und der Dielektrizitätskonstanten ist. Bei der Reihenschaltung
von Widerstand und Piezoelement verhält sich das Piezoelement beim
Anliegen einer Spannung zunächst wie ein Kondensator. Die Spannung über
dem Piezoelement ist eine Auflade-Entladekurve, wie in Fig. 4 mit Uref
bezeichnet dargestellt. Vorzugsweise ist die Zeitkonstante für die
charakteristische Anstiegs- und Abfallzeit, das Produkt aus Kapazitätswert C
des Piezoelements und Widerstandswert R, durch folgenden Ausdruck
gegeben: RC ≈ (2πf0)-1, wobei f0 die Eigenfrequenz der
Schwingungsvorrichtung in einem beliebigen Zustand, z. B. beim Schwingen
in Luft, ist. Dies stellt sicher, daß die Spannung über dem Piezoelement der
anliegenden Eingangsspannung innerhalb der Dauer des Reckteckpulses
folgen kann.
Die Schwingung der Schwingungsvorrichtung erzeugt eine sinusförmige
Wechselspannung an den Kontaktflächen des Piezoelements, welche sich
additiv der Auflade-Entladespannung überlagert. Diese Summenspannung
liegt an den Kontaktflächen des Piezoelements und ist in Fig. 4 mit Uerr
bezeichnet. Die reine Auflade-Entladespannung, also das Ausgangssignal der
Erregungseinrichtung im Falle der Nichtankopplung einer
Schwingungsvorrichtung, ist in Fig. 4 dargestellt und mit Uref bezeichnet.
Sie ist das Ausgangssignal des Referenzelements.
Das Referenzelement wird durch einen Kondensator 22 in Verbindung mit
einem dazu in Reihe geschalteten weiteren Widerstand 23 gebildet, welche
ebenfalls an den Rechteckgenerator 19 angeschlossen bzw. mit dem Ausgang
der Wandlerschaltung 14' rückgekoppelt sind. Die Zeitkonstante der beiden
Bauteile ist die gleiche wie bei der oben beschriebenen Reihenschaltung aus
Piezoelement 20 und Widerstand 21. Beispielsweise werden sowohl Kapazität
als auch Widerstandswert der Komponenten übereinstimmend gewählt. Die
Spannung Uref über dem Kondensator ist die typische Auflade-Entladekurve
für einen mit einem Rechtecksignal, hier Uin, angesteuerten Kondensator.
Mit einem Differenzverstärker 24 wird die Auflade-Entladespannung Uref des
Kondensators 22 von der Summenspannung Uerr an den Kontaktflächen des
Piezoelements 20 abgezogen. Es wird die Differenz der Ausgangssignale des
kombinierten Erregungs-Empfangswandlers und des Referenzelements
gebildet. Das Ergebnis Udiff entspricht der sinusförmigen Wechselspannung,
welche durch die Schwingung der Schwingungsvorrichtung an den
Kontaktflächen des Piezoelements 20 erzeugt wird.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 24 ist mit einem Nulldurchgangs-
Komparator 26 verbunden, welcher ein rechteckförmiges Signal mit der
Frequenz des Antwortsignals und fester Amplitude erzeugt. Ähnliche
Wirkung hat ein übersteuerter Verstärker 24. Beides stellt eine hohe
Schleifenverstärkung im elektromechanischen Schwingkreis aus Erregungs-
und Empfangswandler, Schwingungsgebilde und Verstärker her.
Da das Schwingungsgebilde im allgemeinen eine Phasendrehung des
Ausgangssignals relativ zu den Eingangssignalen erzeugt, ist es von Vorteil,
die Phase des verstärkten Antwortsignals mit einem Tiefpaß zu drehen, so
daß die Rückkopplung phasenrichtig erfolgt. Die hier dargestellte
Wandlerschaltung 14' weist zwischen Verstärker und Komparator daher
einen geeigneten Tiefpaß 25 auf. Der Tiefpaß filtert weiterhin höhere
Harmonische der Grundfrequenz heraus, so daß die Erregung des
mechanischen Schwingungsgebildes stets mit dessen Grund-/Eigenfrequenz
erfolgt.
Die dargestellte Schaltung ist für die Fälle geeignet, in denen die Frequenz
der Schwingungsvorrichtung ausgewertet werden soll, um eine Information
über den Füllstand zu erhalten. Dies ist insbesondere bei der Detektion des
Füllstandes von Flüssigkeiten eine geeignete Meßmethode, da die
Eigenfrequenz der Schwingung aufgrund der von den Schwingstäben
mitgeführten Masse stark vom Füllstand abhängt, die Amplitude der
Schwingung jedoch kaum gedämpft wird.
Ein elektrisches Schaltelement 32 schaltet in Abhängigkeit davon, ob die
Frequenz der Schwingungsvorrichtung eine fest eingestellte Frequenz
entweder über- oder unterschreitet. Hierfür wird eine Logikschaltung 16'
bestehend aus vier monostabilen Flip-Flops 27, 28, 29, 30 verwendet. Die
ersten beiden monostabilen Flip-Flops 27, 28 generieren ein Zeit-Fenster,
welche eine feste Breite und eine einstellbare Verzögerung zur negativen
Flanke des Komparator-Ausgangs hat, also zur negativen Flanke von Uin aus
Fig. 4. Die Verzögerung wird so eingestellt, daß die positive Flanke des
Komparator-Ausgangs in der Mitte des Zeit-Fensters liegt, wenn die
Schwingungsvorrichtung in Luft bzw. in einem anderen definierten Zustand
schwingt.
Das dritte monostabile Flip-Flop 29 generiert einen Impuls, wenn die positive
Flanke des Komparator-Ausgangs in der Betriebssituation innerhalb des Zeit-
Fensters liegt. Das vierte monostabile Flip-Flop 30 verlängert die Zeit dieses
Impulses. Das elektrische Schaltelement 32 schaltet mit einer weiteren
Verzögerung, die durch ein Bauelement 31 erzeugt wird.
Alternativ dazu ist die Auswertung der Amplitude der Schwingung geeignet,
wenn die Bedeckung des Schwingungsgebildes mit Feststoffen oder mit stark
viskosen Flüssigkeiten detektiert werden soll. Bei Bedeckung der
Schwingstäbe mit einem Feststoff wird die Schwingungsamplitude der Stäbe
stark bedämpft. Die gesamte Schleifenverstärkung des schwingungsfähigen
Systems wird dadurch stark reduziert. Die Schleifenverstärkung reicht nicht
mehr aus um die Schwingstäbe in ihrer Eigenfrequenz zu erregen. Die
Schwingung reißt ab oder erfolgt auf einer anderen Frequenz. Die Amplitude
der Schwingung ist in beiden Fällen sehr gering. Ein elektrisches
Schaltelement schaltet in Abhängigkeit davon, wie groß die Amplitude des
Ausgangs des Differenzverstärkers, der in diesem Fall - gegebenenfalls
zusammen mit einem Tiefpaß - die Wandlerschaltung bildet. Hierfür wird als
Logikschaltung ein Komparator mit fest eingestellter Schaltschwelle
verwendet.
1
,
10
Schwingungsgebilde
2
Schwingstab
3
,
11
Erregungseinrichtung
4
,
12
Empfangswandler
5
,
20
Piezoelement
6
,
7
Kontaktflächen
8
Isolationsschicht
9
Boden des Schwingungsgebildes
13
Referenzelement
14
,
14
' Wandlerschaltung
15
Rückkopplungsleitung
16
,
16
' Logikschaltung
17
,
32
Schaltelement
18
,
19
Pulsgenerator
21
,
23
Widerstand
24
Differenzverstärker
25
Tiefpaß
26
Komparator
27
,
28
,
29
,
30
Flipflop
31
Verzögerungselement
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstandes
eines Mediums in einem Behälter mit einem mechanischen
Schwingungsgebilde (1, 10), bestehend aus wenigstens einem Schwingstab
(2), der von einer piezoelektrischen Erregungseinrichtung (3, 11) zu
mechanischen Schwingungen anregbar ist, mit einem piezoelektrischen
Empfangswandler (4, 12) zum Detektieren der vom Schwingstab (2)
ausgehenden Schwingungsimpulse und einer an den Empfangswandler (4, 12)
angeschlossenen Wandlerschaltung (14, 14'), die die Signale des
Empfangswandlers auszuwerten imstande ist, wobei das Ausgangssignal der
Wandlerschaltung als Eingangssignal der Erregungeinrichtung aufgegeben
wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß Erregungseinrichtung (3, 11) und Empfangswandler (4, 12) in ihren wesentlichen Bestandteilen übereinstimmen, insbesondere dasselbe Piezoelement (5, 20) oder dieselben Piezoelemente zur Erregung und zur Detektion der Schwingung verwendet ist/sind,
daß das Eingangssignal der Erregungeinrichtung zusätzlich einen Referenzelement (13) aufgegeben wird, welches der Erregungseinrichtung parallel geschaltet ist, wobei das Ausgangssignal des Referenzelements (13) zu dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) im Falle der Nichtankopplung des Schwingungsgebildes (1, 10) proportional ist,
daß die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) und dem Ausgangssignal des Referenzelements (13) in der Wandlerschaltung (14, 14') verstärkt wird und zur Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandlerschaltung dient,
und daß die Frequenz oder die Amplitude des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einer vorbestimmten Referenzfrequenz bzw. -amplitude verglichen wird, wobei ein Schaltelement (17, 32) dann ein Signal erzeugt, wenn die tatsächliche Frequenz oder Amplitude die Referenzfrequenz bzw. -amplitude über- oder unterschreitet.
daß Erregungseinrichtung (3, 11) und Empfangswandler (4, 12) in ihren wesentlichen Bestandteilen übereinstimmen, insbesondere dasselbe Piezoelement (5, 20) oder dieselben Piezoelemente zur Erregung und zur Detektion der Schwingung verwendet ist/sind,
daß das Eingangssignal der Erregungeinrichtung zusätzlich einen Referenzelement (13) aufgegeben wird, welches der Erregungseinrichtung parallel geschaltet ist, wobei das Ausgangssignal des Referenzelements (13) zu dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) im Falle der Nichtankopplung des Schwingungsgebildes (1, 10) proportional ist,
daß die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) und dem Ausgangssignal des Referenzelements (13) in der Wandlerschaltung (14, 14') verstärkt wird und zur Erzeugung eines Ausgangssignals der Wandlerschaltung dient,
und daß die Frequenz oder die Amplitude des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einer vorbestimmten Referenzfrequenz bzw. -amplitude verglichen wird, wobei ein Schaltelement (17, 32) dann ein Signal erzeugt, wenn die tatsächliche Frequenz oder Amplitude die Referenzfrequenz bzw. -amplitude über- oder unterschreitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal der Wandlerschaltung (14, 14') in einer
Logikschaltung (16, 16') ausgewertet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Widerstand R' und Kapazität C' des Referentelements (13) so gewählt
sind, daß die Zeitkonstante τ'=R'C'' des Ausgangssignals des
Referenzelements mit der Zeitkonstante τ des über dem Piezoelement (20)
gemessenen Ausgangssignals bei Nichtankopplung eines Schwingungsgebildes
(1, 10) übereinstimmt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Widerstand R (21) mit dem Piezoelement (20) in Reihe geschaltet ist
und das Referenzelement (13) aus einem Widerstand R' (23) und einem dazu
in Reihe geschalteten Kondensator C' (22) besteht, wobei die Produkte als
Kapazität C' des Kondensators und Widerstandswert R' bzw. Kapazität C' des
Piezoelements und Widerstandswert R übereinstimmen, d. h. RC ≈ R' C''.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils die Kapazität C des Piezoelements und die Kapazität C' des
Kondensators sowie die Widerstandswerte R und R' übereinstimmen, d. h.
C ≈ C'' und R ≈ R'.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Kapazität C des Piezoelements (20), den Widerstandswert R (21)
des in Reihe geschalteten Widerstands und die Eigenfrequenz f0 des
Schwingungsgebildes (1, 10) näherungsweise der Zusammenhang f0 ≈ (2πRC)-1
gilt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß sie mit Hilfe eines zuschaltbaren Pulsgenerators (18, 19) arbeitet, welcher
das Eingangssignal der Erregungeinrichtung (3, 11) und des
Referenzelements (13) liefert und damit die Schwingung das
Schwingungsgebildes (1, 10) und die Rückkopplung der Erregungeinrichtung
(3, 11) mit dem Ausgangssignal der Wandlerschaltung (14, 14') in Gang setzt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Pulsgenerator (18, 19) nach Anschwingen des Schwingungsgebildes
(1, 10) abgekoppelt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Pulsgenerator Rechteckpulse mit näherungsweise der Eigenfrequenz
f0 des Schwingungsgebildes erzeugt, d. h. für die Erregungsfrequenz gilt
ferr ≈ f0, vorzugsweise auch ferr = (2πRC)-1.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal der Erregungeinrichtung und das Ausgangssignal des
Referenzelements die über dem Piezoelement bzw. dem Kondensator gegen
Masse gemessene Spannung ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplitude des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einen
Komparator mit vorbestimmter Schaltschwelle ausgewertet wird, welcher mit
einer zeitlichen Verzögerung das elektrische Schaltelement ansteuert.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlerschaltung einen Differenzverstärker (24) mit
nachgeschaltetem Tiefpaß (25) enthält, welcher die Phase der
Ausgangsspannung des Differenzverstärkers dreht und höhere Harmonische
der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Schwingungsgebildes
herausfiltert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlerschaltung einen Nulldurchgangs-Komparator (26) enthält,
welcher dem Tiefpaß nachgeschaltet ist, so daß das Ausgangssignal der
Wandlerschaltung ein rechteckförmiger Spannungspuls mit der tatsächlichen
Schwingungsfrequenz des Schwingungsgebildes und mit konstanter
Amplitude ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Differenzverstärker oder eine weitere nachgeschaltete
Verstärkerstufe übersteuert ist, so daß das Ausgangssignal der
Wandlerschaltung ein nahezu rechteckförmiger Spannungspuls mit der
tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Schwingungsgebildes und mit
konstanter Amplitude ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Ausgangssignals der Wandlerschaltung mit einer
Logikschaltung bestehend aus wenigstens vier monostabilen Flipflops (27, 28,
29, 30) ausgewertet wird, wobei zwei Flipflops ein Zeitfenster mit
vorbestimmter Breite und einstellbarer Verzögerung zur negativen Flanke des
Komparators generieren, ein drittes Flipflop einen Impuls generiert, wenn die
positive Flanke des Komparators innerhalb des Zeitfensters liegt und ein
viertes Flipflop die Dauer dieses Impulses verlängert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verzögerung so eingestellt ist, daß die positive Flanke des
Komparators in der Mitte des Zeitfensters liegt, wenn des
Schwingungsgebilde in Luft schwingt.
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