DE2209260C3

DE2209260C3 - Füllstandsgrenzwertanzeige

Info

Publication number: DE2209260C3
Application number: DE19722209260
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Schief
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1972-02-26
Filing date: 1972-02-26
Publication date: 1975-10-16
Also published as: DE2209260B2; DE2209260A1

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Einrichtung zur Anzeige, ob eine Substanz, vorzugsweise eine Flüssigkeit, ein vorgegebenes Niveau unter- oder überschreitet, mit einem mechanischen Schwinger, der durch eine Selbsterregungsschaltung zu Schwingungen angeregt wird, wenn der Schwinger nicht in die Substanz eintaucht und der zu keinen Schwingungen fähig ist, wenn der Schwinger ganz oder teilweise in die Substanz eintaucht.

Diese Aufgabenstellung liegt in der industriellen, vorwiegend chemischen Verfahrenstechnik, in der Kraftfahrzeugtechnik und bei Haushaltsgeräten vor. Bisherige Lösungen verwendeten eine Vielzahl physikalischer Effekte, z. B. Auftrieb eines Schwimmkörpers, Druck, Reflexion von Wellen oder Strahlung, Absorption von Wellen oder Strahlung, Wärmeleitung usw. Diese Verfahren sind entweder aufwendig oder wegen mechanischer Lager nicht verschleiß- oder wartungsfrei.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsgrenzwertanzeige, das auf der gegenüber Gasen wesentlich größeren Zähigkeit von Flüssigkeiten beruht Es ist jedoch auch bei festen staub- oder kornförmigen Substanzen anwendbar. D.e vorgeschlagene Ausführungsform zeichnet sich durch genngen Aufwand, leichte Montagemöghchke.ten und wegen Je" Fehlens mechanischer Lager durch völlige Warninesfreiheit und hohe Lebensdauer aus

"m französischen Patent 1 162 3121 wird ein Verfahren zur Anzeige des Füllstands beschrieben. Es besitzt eine elastisch gelagerte Fahne, die über eine mechanisehe magnetische oder elektromagnetische Einrichtung mit einer von außen angelegten Spannung zu periodischen Schwingungen erregt wird. Diese fremderregten Schwingungen werden in einer zweiten Einrichtung beispielsweise einem piezoelektrischen Geber, ,< überwacht und nach außen signalisiert Wenn die Fahne in die -u überwachende Substanz eintaucht, werden die fremderregten Schwingungen gestört und durch die Überwachungseinrichtung wird ein Signal abgegeben. Dieses Verfahren besitzt Nachteile, die seinen Einsatz *> in großen Stückzahlen erschweren. Die Fremderregung verursacht zusätzlichen Aufwand. Ihre Frequenz ist auf die Eigenfrequenz des Schwingers abzustimmen; diese Eigenfrequenz kann sich durch Ablagerungen auf die Fahne oder durch Veränderung der Federkonstante ,c verschieben, so daß ein Nachstimmen erforderlich w.rd. Die zusätzliche Einrichtung zur Überwachung der Schwingungsamplitude und die erforderlichen Verstärker verursachen einen großen Aufwand.

In der schweizerischen Patentschrift 491 370 wird ,o eine Vorrichtung zur Messung des Füllstands beschrieben bei der die Bedämpfung einer in den Meßraum ragenden Fahne, die durch eine Membran elastisch gelagert ist mit einer Selbsterregungsschaltung gemessen wird Der Aufwand für die Selbsterregungsschaltung ist hoch, da zwei elektromechanische Wandler verwendet

^WCDer in der deutschen Offenlegungsschrift 2 012 475 beschriebene Füllstandsfühler verwendet einen Schwinger, der bei Eintauchen in die zu messende Substanz mechanisch gedämpft wird; die Lagerung des Schwingers erfolgt über Drehgelenke, eine hermetische Trennung des Wandlerinnenraums vom Meßraum ist nicht möglich.

In der US-PS 3 585 457 ist ein Meßverfahren be-,<; schrieben bei dem ein flexibler Stab zu Biegeschwingungen angeregt wird. Dieser Stab ist in den Knoten seiner Schwingungen in der Weise gelagert, daß ein Ende durch einen Dichtungsring hindurch in den Raum des zu messenden Mediums ragt. Die Anregung dieses Stabs zu Eigenschwingungen erfolgt durch zwei elektromagnetische Systeme.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung vermeidet diese Nachteile und ist deshalb für eine Verwendung in der Massenfertigung (Kraftfahrzeuge, Wasch- und Spülmaschinen) geeignet; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger aus einer m den Meßraum ragenden Fahne besteht, die durch eine den Meßraum vom Wandlerinnern hermetisch abdichtende Membran elastisch gelagert ist und die mit einem in das Innere des Wandlerraums reichenden elektrisch leitenden im Feld eines Magneten beweglichen Stift verbunden ist, in dem bei Bewegungen Spannungen induziert werden und dessen elektrischer Widerstand in eine elektrische Brückenschaltung einbezogen ist, deren 65 Diagonalspannung mit einem Differenzverstärker verstärkt und nach Verstärkung wieder der Brückenschaltung zugeführt wird, so daß der aus Membran, Fahne und Stift bestehende Schwinger bei fehlender Dämfung

durch die Substanz zu Eigenschwingungen erregt wird.

Der mechanische Schwinger ist frequenzbestimmend, so daß eine zusätzliche Frequenzabstimmung entfällt. Das Signal zur Anzeige des Schwingungszustands kann unmittelbar aus der Selbsterregungsschaltung abgeleitet werden; es ist deshalb so leistungsstark, daß zur weiteren Anzeige mit einem Lämpchen usw. keirw Nachverstärkung erforderlich ist

Die Wirkungsweise einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das schernatisch dargestellt ist Die Masse des Schwingers besteht aus einer Fahne 1 und einem Stift 2, die starr miteinander verbunden sind. Das Federelement des Schwingers ist eine vorzugsweise metallische Membran 3, die mit dem Gehäuse 4 hermetisch dicht verbunden ist und so das Innere der Meßeinrichtung von der Substanz trennt Ein Schutzring 5 schützt Jie Fahne 1 bei Montage, Transport und nötigenfalls Betrieb; geeignet angebrachte Löcher erlauben den Zutritt der Substanz. Die Schwingungsrichtung des Schwingers wird, durch zweii Drähtchen 6 und 7 festgelegt, die auf der einen Seite mit dem Ende des Stifts 2 und am anderen Ende mit zwei starren Stäbchen 8 und 9 verbunden sind. Die Stäbchen 8 und 9 sind mit dem Deckel 10 starr verbunden. Die Schwingungsrichtung des Schwingers liegt somit senkrecht zur Zeichenebene. Der Einbau der Einrichtung in der Wand des zu überwachenden Behälters, beispielsweise mit Hilfe eines auf dem Gehäuse 4 angebrachten Gewindes, kann senkrecht und waagerecht erfolgen.

Die Prüfung der Dämpfung des Schwingers und damit der Höhe des Füllstands erfolgt mit einer an den mechanischen Schwinger angeschlossenen elektrischen Selbsterregungsschaltung. Bei fehlender Dämpfung werden Schwingungen erregt, die zur Anzeige gebracht werden. In der Zeichnung ist ein einfaches Beispiel für eine Selbsterregungsschaltung unter Verwendung eines integrierten Halbleiterverstärkers 11 dargestellt, im Gehäuse 4 ist ein Permanentmagnet 12 angeordnet, zwischen dessen Polen der Stift 2 quer zur Richtung des magnetischem Feldes schwingen kann. Der elektrische Widerstand des Stifts 2 bildet zusammen mit den Widerständen 13, 14 und 15 eine elektrische Brückenschaltung. Zu diesem Zweck werden die Stäbchen 8 und 9 elektrisch leitend ausgebildet und durch den Deckel 10 isoliert hindurchgeführt. Im gedämpften Zustand, also wenn die Substanz die Fahne 1 berührt, stellt der Stift 2 im wesentlichen einen ohmschen Widerstand dar. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 13,14 und 15 kann erreicht werden, daß die Brückendiügonalspannung verschwindet daß also am Eingang des Verstärkers 11 keine Spannnung auftritt, wenn die Brücke am gemeinsamen Punkt der Widerstände 13 und 14 eingespeist wird. Wird der Ausgang des Verstärkers 11 mit diesem Punkt verbunden, so ist die so entstandene rückgekoppelte Schaltung nicht schwingungsfähig. Ist der aus den Teilen 1, 2 und 3 bestehende Schwinger nicht gedämpft, so ist der elektrische Widerstand des Stifts 2 infolge der im Magnetfeld des Magneten 12 bei Bewegung induzierten Spannungen nicht mehr ohmisch. Die Brücke ist in der Nachbarschaft der Resonanzfrequenz nicht mehr abgeglichen, die rückgekoppelte Schaltung schwingt.

Die mechanisch-elektrische Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und schwingendem Stift 2 kann erhöht und damit der Aufwand auf der Verstärkerseite gesenkt werden, wenn auf dem Stift 2 eine aus mehreren Windungen bestehende Spule angebracht wird. Die Spule ist im Magnetfeld so angeordnet, daß sich der sie durchsetzende Fluß bei ihrer Bewegung verändert.

Eine einfache, nur eine Hin- und Rückleitung erforderliche Anzeige des Füllstandes ist mit der angegebenen Selbsterregungf^chaltung realisierbar. Im schwingungslosen Zustand wird der statische Arbeitspunkt des Verstärkers so gewählt, daß er nur eine geringe Stromaufnahme über die zur Spannungsquelle führende Leitung 16 aufweist. Wenn die Selbste.-regungsschaltung schwingt, nimmt die Stromaufnahme stark zu, so daß eine in der Leitung 16 liegende Anzeigeeinrichtung 17 anspricht Diese Anzeigeeinrichtung kann eine Signallampe oder, wegen des vorhandenen Wechselstromanteils, eine akustische Anzeige sein.

Letztere kann wahlweise auch vom Ausgang des Verstärkers gespeist werden.

Die elektrische Selbsterregungsschaltung kann durch eine pneumatische oder hydraulische Schaltung ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Anzeige, ob eine Substanz, vorzugsweise eine Flüssigkeit, ein vorgegebenes Niveau unter- oder überschreitet, mit einem mechanischen Schwinger, der durch eine Selbsterregungsschaltung zu Schwingungen angeregt wird wenn der Schwinger nicht in die Substanz eintaucht und der zu keinen Schwingungen fähig ist, wenn der Schwinger ganz oder teilweise in die Substanz eintaucht, dadurch gekennzeichnet, dall der Schwinger aus einer in den Meßraum ragenden Fahne (1) besteht, die durch eine den Meßraum vom Wandlerinnern hermetisch abdichtende Membran (3) elastisch gelagert ist und die mit einem in das Innere des Wandlerraums reichenden elektrisch leitenden, im Feld eines Magneten beweglichen Mtft (2) verbunden ist, in dem bei Bewegungen Spannungen induziert werden und dessen elektrischer Widerstand in eine elektrische Brückenschaltung (13 14,15) einbezogen ist, deren Diagonalspannung mit einem Differenzverstärker (11) verstärkt und nach Verstärkung wieder der Brückenschaltung zugeführt wird, so daß der aus Membran, Fahne und Stift bestehende Schwinger bei fehlender Dampfung durch die Substanz zu Eigenschwingungen erregt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (2) eine im Magnetfeld schwingende Spule trägt, so daß die induzierten Spannungen erhöht werden, und diese Spule an Stelle des elektrischen Widerstands des Stifts ein Teil der elektrischen Brücke ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Verstärkers (11) so gewählt ist, daß bei fehlenden Schwingungen ein kleiner Strom aus der Spannungsquelle gezogen wird und daß bei vorhandenen Schwingungen dieser Strom stark ansteigt, so daß mit diesem Strom eine Anzeigeeinrichtung, z. B. ein Lämpchen oder durch den überlagerten Wechselspannungsanteil ein Summer, betätigbar ist.