DE2847411C2

DE2847411C2 - Schaltungsanordnung einer Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeeinrichtung

Info

Publication number: DE2847411C2
Application number: DE19782847411
Authority: DE
Inventors: Anatolij Aleksandrovi&ccaron; Char'kov Baranovskij; Vsevolod Andreevi&ccaron; Markelov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1978-11-02
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE2847411A1

Description

gekennzeichnet durch

c) einen Rückkopplungskreis aus einem an den Ausgang des Verstärkers (3) angeschlossenen SpannuBgsamplitudenbegrenzer (5) und einem Differenzierglied (6), dessen Ausgang auf ein frequenzvorgebendes RC-Glied (19, 20) des Stoßerregungs-Schwingungsgenerators (2) wirkt.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung einer Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeein^chtung für schüttfähige und viskose Güter mit einem mechanischen Scbwingungssystem und einem elektrisch-mechanischen Schwingungswandler, der elektrisch mit dem Ausgang ei?=£s Stoßerregungs-Schwingungsgenerators und dem bingang eines Verstärkers verbunder, ist, dessen Ausgang an eine Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 40 08 613 bekannt Es geht dabei um die Erfassung des Füllstandes des Meßgutes in Bunkern, Zisternen, Tanks oder ähnlichen Vorratsbehältern, und zwar in verschiedenen Produktionszweigen.

Aus der DE-AS 17 73 815 ist eine Vibrationsfüllstandsmeßeinrichtung bekannt, deren mechanisches Schwingungssystem (Stimmgabel) auf einem an der inneren Seitenwand des mit Meßgut zu füllenden Behälters befestigten Tragkörper angeordnet ist. Am Joch der Stimmgabel sind elektrisch miteinander mittels eines Verstärkers gekoppelte piezoelektrische Meßwandler angeordnet Außerdem ist eine an dem Verstärkerausgang angeschlossene Anzeigeeinrichtung vorgesehen.

Der erste piezoelektrische Meßwandler versetzt das mechanische Schwingungssystem in Schwingungen, während der zweite piezoelektrische Meßwandler (Schwingungsaufnehmer) die mechanischen Schwingungen aufnimmt und in eine ihrer Amplitude proportionale Spannung umwandelt. Diese Spannung wird dann vom Verstärker verstärkt und dem ersten piezoelektrischen Meßwandler zugeführt. Somit werden die Schwingungen mit einer durch die Eigenfrequenz des so mechanischen Schwingungssystems des Füllstandsgebers bestimmten Frequenz erregt.

Beim Eintauchen des mechanischen Schwingungssystems in das Meßgut werden seine Schwingungen gedämpft. Die Schwingungen im Geber werden unterbrochen. so daß am Ausgang des zweiten piezoelektrischen Meßwandlers kein Signal auftritt. Dadurch wird die Anzeigeeinrichtung stromlos und zeigt die Füllung des Be

hälters bis zur Höhe des Füllstandgebers an.

Diese bekannte Einrichtung ist empfindlich gegenüber Störungen, die durch unter Industriebedingungen übliche Vibrationen, Stöße usw. hervorgerufen werden. Unter der Einwirkung derartiger Störungen sind falsche Auslösungen des Melders in den Fällen nicht ausgeschlossen, wenn der Geber von Meßgut überschüttet wird und auf seinen Tragkörper und damit -auch auf die piezoelektrischen Meßwandler fremde Vibrationen bzw. Stöße übertragen werden, in deren Spektrum der Eigenfrequenz der piezoelektrischen Meßwandler und des mechanischen Schwingungssystems des Gebers naheliegende Frequenzen enthalten sind.

Auch müssen der schwingungserzeugende und -aufnehmende Meßwandler und das mechanische Schwingungssystem frequenzgemäß in einem breiten Temperaturbereich streng aufeinander abgestimmt sein, da Frequenzänderungen ihrer Schwingungen zu einer entsprechenden Änderung des Übertragungsfaktors des Melders und einem falschen Auslösen führen. Dies unter Industriebedingunger: zu gewährleisten ist überaus schwierig.

Die piezoelektrischen Meßwandler der bekannten Einrichtung sind nah am Meßgut angeordnet und seinen Temperatureinwirkungen ausgesetzt Da die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Werkstoffes nur 130⁰C beträgt, kann ifer Melder nicht bei höheren Temperaturen betrieben werden und ist untauglich zur Anwendung in vielen Produktionszweigen, z. B. bei der Gewinnung von Soda, Zement und dergleichen.

Ähnliches gilt für eine aus der DE-AS 16 73 972 bekannte Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeeinrichtung, bei der das mechanische Schwingungssystem in Form einer metallischen Membran ausgebildet ist, deren Schwingungen bei der Berührung mit dem Meßgut gedämpft werden.

Aus der DE-AS 15 73 002 ist eine Vibrationsfülistandsmeß- und -anzeigeeinrichtung bekannt, bei der der mechanische Schwinger ein Stab ist, der von einer Wechselstromquelle angeregt wird. Dieser Stab ist in einer gummielastischen Scheibe aufgehängt was einen starken Dämpfungsfaktor der mechanischen Schwingungen bedingt Diese starke Dämpfung ist deswegen notwendig, weil es schwierig ist, die schwingungsanregende Frequenz des Speisegenerators mit ausreichender Genauigkeit auf die Eigenfrequenz des mechanischen Systems abzustimmen und dort zu halten. Wegen dieser Ausbildung in diese bekannte Einrichtung von geringer Empfindlichkeit und Genauigkeit und kann nur bei schweren Meßgütern verwendet werden, die eine erhebliche Dämpfung beim Eintauchen des mechanismen Schwingers bewirken.

Eine aus dem SU-Erfinderschein 2 62 418 bekannte Vibrationsfüllstandsmeßeinrichtung hat einen stabförmigen mechanischen Schwingungsgeber und eine mit diesem zusammenwirkende Einrichtung zur Schwingungserzeugung sowie zur Umwandlung der erzeugten Schwingungen in elektrische Signale. Diese besteht aus zwei elektrisch gekoppelten Wicklungen, die mittels eines Bandverstärkers mit einer einen Frequenzdemodulator und eine Ausgangsverstärkungsstufe aufweisenden Anzeigeeinrichtung verbunden sind.

Eine der Wicklungen dient zur Erregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssyslems und ist an den Verstärkerausgang angeschlossen; die andere wandelt die mechanischen Schwingungen in elektrische um und ist an den Verstärkereingang angeschlossen. Damit bilden die Wicklungen einen positiven Rück-

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kopplungskreis des Verstärkers und stellen zusammen gungsimpulsen deutlich größer sein als die für unge-

mit dem Geber einen selbsterregten Oszillator dar. dämpfte mechanische Schwingungen geltende Abkling-

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers wird bei un- zeit. Dies wiederum erlaubt die Messungen nur in beterbrochenem Rückkopplungskreis so eingestellt, daß trächtlichen zeitlichen Abständen, was die Schnellwirdie Schwingungserzeugung sowohl ohne als auch mit 5 kung der Messung und der Anzeige verringert Zur Dämpfung durch das Meßgut möglich ist. Das Fre- Kontrolle von sich schnell ändernden Pegeln ist diese quenzband dies Verstärkers überdeckt die Eigenfre- bekannte Einrichtung mithin wenig geeignet,
quenzen de« mechanischen Schwingungssystems. An Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den Verstärke; ausgang ist der Frequenzdemodulator schnell ansprechende, mit geringem Energieverbrauch angeschlosse:«, in dem die vom Oszillatorausgang abge- io betreibbare Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeeinnommene Spannung in Gleichspannungsänderungen richtung für Schutt- und viskose Güter zu schaffen, deumgewandeli: wird. Das gewonnene Signal wird in der ren Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit unabhängig Ausgangsstufe verstärkt. Ist das mechanische Schwin- von die Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungsgungssystem nicht in Meßgut eingetaucht, entstehen in systems ändernden Einflüssen eine hohe ist.
diesem Schwingungen mit einer einer der Eigenfrequen- 15 Ausgehend von der eingangs genannten gattungsgezen des mechanischen Schwingungssystems gleichen mäßen Ausbildung wird die gestellte Aufgabe gelöst Frequen.7, da sogar überaus geringe Schwingungen die- durch einen Rückkopplungskreis aus einem an den Ausses Systems infolge von Schwankungen der Speisespan- gang des Verstärkers angeschlossenen Spannungsamnung oder Vibrationen von Konstruktionsbauelemen- plitudenbegrenzer und einem Differenzierglied, dessen ten vom Verstärker verstärkt und ins Schwingungssy- 20 Ausgang auf ein frequenzvorgebe.vpes RC-Glied des stern in Phase mit einer zufällig entstandenen Schwan- Stoßerregungs-Schwingungsgenerators -j/irkt
kung der Speisespannung eingespeist werden. Eine solche Ausführung des Vibrationsfüllstandmel-

Die beiden Wicklungen sind auf dem mechanischen ders ermöglicht es, die Schwingungen des mechanischen Schwingungiisystem angeordnet. Dabei müssen sie Schwingungssystems synchron mit seinen Eigenschwinselbst und die; sie mit dem Verstärker verbindenden Lei- 25 gungerr periodisch anzustoßen. Änderungen der Eigentungen gegenseitig abgeschirmt sein. Dies erschwert die frequenz des mechanischen Schwingungssystems, die in-Konstruktiou und vermindert die Zuverlässigkeit folge des Anhaftens von Meßgut am Geber, Umge-

Da die Eigenfrequenzen des mechanischen Schwin- bungstemperaturschwankungen, Alterung des Geber-

gungssystems dieser Einrichtung im engen Band von werkstoffs usw. entstehen, haben dadurch keine Auswir-

200 bis 400 Hz liegen, sind zur zweiseitigen Begrenzung 30 kungen auf die Zuverlässigkeit des Betriebs,

des Durchlaßfoereiches des Verstärkers mit gleichmäßi- Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschrei-

ger Phasenkennlinie entsprechende Filter einzuführen, bung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeich-

was die gleichen Nachteile mit sich bringt nungen weiter erläutert; es zeigt

Die kontruiiktionsmäßig komplizierte Einrichtung zur F i g. 1 das Funktionsschaltbild der Vibrationsfüll-

Anregung der mechanischen Schwingungen und Um- 35 standmeß- und -anzeigeeinrichtung für Schutt- und vis-

wandiung deirseiben in elektrische Schwingungen ist in kose Güter;

der Nähe des Meßguts angeordnet und dessen Tempe- F i g. 2 schematisch den Füllstandgeber;

ratur-, Korrosions- und anderen Einwirkungen ausge- F i g. 3 das Prinzipschaltbild des Schwingungsfeenera-

setzt. Dies «lacht die Anwendung zur Kontrolle von tors;

aggressiven Gütern schwierig. 40 F ig. 4 das Prinzipschaltbild des Verstärkers; F ig. 5

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanord- das Prinzipschaltbild der Anzeigeeinrichtung,
nung einer Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeein- Die Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeeinrichrichtung mit einer Impulsanregung der mechanischen tung für Schutt- und viskose Güter hat einen Füllstand-Schwingungen, wie sie aus der US-PS 40 08 613 bekannt geber 1, der an den Ausgang eines Stoßerregungsist. Hier wiiiüd dar. mechanische Schwingungssystem 45 Schwingungsgenerators 2 und an den Eingang eines durch eine Spule angeregt, die von einem Impulsgenera- Verstärkers 3 angeschlossen ist. An den Ausgang des tor mit kurzen Stoßimpulsen gespeist wird. Die gleiche Verstärkers 3 ist eine Anzeigeeinrichtung 4 und ein Spule dient zur Umwandlung der angeregten mechani- Spannungsamplitudenbegrenzer 5 angeschlossen. Der sehen Schwingungen in elektrische Signale und ist hier- Ausgang des Spannungsamplitudenbegrenzers 5 ist für an den Eingang eines Verstärkers angeschlossen, der 50 über eine Differensierkette 6 an den Stoßerregungsauf eine Anzeigevorrichtung wirkt. Schwingungsgenerator 2 gekoppelt.

Im Betrieb werden stoßartig Schwingungen angeregt Der Füllstandgeber 1 hat ein mechanisches Schwin-

und das angeiceigte Signal hängt ab von der Amplitude gung^system 7 aus einem Stab 8, der an einer auf einem

und der Zeitdauer der sich anschließenden gedämpften Tragkörper 10 angebrachten Membran 9 befestigt ist.

Eigenschwingungen des Schwingungssystems. Hier 55 Zum Füllstandgeber ϊ gehört weiterhin ein Schwin-

kann immer eine Anzeige erzielt werden, die bestimmt gungswandler 11 sowohl zur Versetzung des mechani-

wird von dem Dämpfungsgrad des mechanischen sehen Schwingungssystems 7 in Schwingungen als auch

Schwingungssystems, der wiederum vom Eintauchen zur Umwandlung mechanischer Schwingungen dessel-

des mechanischen Schwingers in das Meßgut abhängt. ben in elektrische Schwingungen. Der Schwingungsum-

Nachteilig ist bei dieser Ausbildung jedoch, daß die eo wandler 11 besteht aus einer Wicklung 12 mit einem

nicht mit den eventuell noch vorhandenen Schwingun- ferromagnetischen Kern 13 und wirkt sowohl als Elek-

gen des mechanischen Systems synchronisierten Stoß- tromagnet als auch als magnetischer Geber, der die

anregungsimipulse gegenphasig zu diesen eingeleitet Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems

werden können, was, statt diese wieder anzuregen, zu in eine Wechselspannung entsprechender Frequenz um-

einer weiteren Dämpfung derselben führen und ein feh- 65 wandelt.

lerhaftes Ansprechen der Anzeigeeinrichtung bewirken Der Stoßerregungs-Schwingungsgenerator 2 hat ei-

würde. Damit dies nicht geschieht, muß bei dieser be- nen Thyristor 14 (F i g. 3), der mit der Wicklung 12 über

kannten Einrichtung die Pause zwischen den Anre- einen Entladungskondensators 15 gekoppelt ist. Das

^{5 6} I

Aufladen des Kondensators geschieht über einen Wi- spannung gelangt zum Eingang der Anzeigeeinrichtung J

derstand 16 von einer Speisequelle 17. Der zeitbestim- 4. i'|

mende Kreis des Schwingungsgenerators 2 ist in der Art In der Anzeigeeinrichtung 4 wird diese Wechselspan- i}.

eines Emitterfolger mit einem Transistor 18 ausgeführt. nung gleichgerichtet. Die Gleichspannung beaufschlagt ! |?

Im Basiskreis des Transistors 18 liegt die von einem 5 das elektromagnetische Stellrelais 41, welches durch sei- j(j Widerstand 19 und einem Speicherkondensator 20 ge- ne Kontakte 50 und 51 die Speisekreise der Lampen 52

bildete zeitbestimmende RC-Kette. Der Emitterkreis bzw. 53 steuert, die das Vorhandensein bzw. das Fehlen \

des Emitterfolgers weist eine die Ansprechschwelle des des Meßgutes auf der Einstellungshöhe d^s mechani- : :

Thyristors 14 bestimmende Zenerdiode 21 auf. Ein Wi- sehen Schwingungssystems 7 signalisieren. \Ä

derstand 22 dient zur Strombegrenzung des Transistors 10 Die vom Verstärker 3 verstärkte Wechselspannung y

18 im Zeitpunkt seines Durchschaltens. Ein Widerstand gelangt auch zum Spannungsamplitudenbegrenzer 5, an ■'*

23 bildet zusammen mit dem Eingangswiderstand des dessen Ausgang eine nahezu rechteckige Wechselspan- ■

Thyristors 14 die Belastung des Emitterfolgers. Eine Di- nung entsteht. Das an den Ausgang des Begrenzers 5 ^:

ode 24 ist zur Entladung des Speicherkondensators 20 angeschlossene Differenzierglied 6 differenziert diese :·\

beim Ansprechen des Thyristors 14 bestimmt. 15 Impulse und erzeugt beim Eintreffen der Vorderflanken 'ii'

F i g. 3 zeigt auch das aus einem Widerstand 25, einem der Rechteckspannung synchronisierende Impulse, je- || Kondensator 26 und einer Diode 27 bestehende Diffe- der von denen zeitlich mit dem Beginn der Schwin- ;ί

renzierglied 6. gungsperioden des mechanischen Schwingungssystems ^t?

Der Verstärker 3 ist mit zwei Transistoren 28, 29 7 übereinstimmt

(F i g. 4) mit direkten Kopplungen zwischen den Stufen 20 Die synchronisierten Impulse lösen den Schwin-

ausgelegt Der Gleichstrombetrieb des Verstärkers wird gungsgenerator 2 somit in den Zeitpunkten aus, die

von einer RC-Kette mit Widerständen 30,31 und einem streng mit dem Beginn der Eigenperiode des mechani-

Kondensator 32 gewährleistet. Widerstände 33, 34 die- sehen Schwingungssystems 7 übereinstimmen. Da die

nen als Belastung in den Verstärkungsstufen. Die Kon- Erregungsimpulse vom Ausgang des Schwingungsgene-

densatoren 35, 36 sind zur Trennung der Gleichstrom- 25 rators 2 an der mit dem mechanischen Schwingungssy-

kopplungen bestimmt Ein Widerstand 37 dient zur An- stems 7 in Wechselwirkung stehenden Spule 12 ankom-

kopplung des Differenziergliedes 6 über den Span- men, werden die von der letzteren erzeugten periodi-

nungsamplitudenbegrenzer 5. Dieser besteht aus einem sehen finwirkungen streng in Phase mit den Schwin-

Stabilisierungselement und wirkt als Maximumbegren- gungen des mechanischen Schwingungssystems 7 liegen

zer der Ausgangsspannungsamplitude des Verstärkers 30 und die Schwingungen werden damit auf ihrer Eigenfre-

3. Ein Kondensator 39 begrenzt die Wirkung des Ver- quenz gehalten.

stärkers 3 auf niedrige Frequenzen. Wenn der Geber 1 des Vibrationsfüllstandsmelders in ',

Die in F i g. 5 dargestellte Anzeigeeinrichtung 4 ent- das Meßgut eintaucht, werden die Schwingungen des hält einen Transistor 40, in dessen Kollektorkreis ein mechanischen Schwingungssystems 7 erheblich geelektromagnetisches Relais 41 geschaltet ist Das Relais 35 dämpft und werden nach der Einwirkung eines Erreger-41 ist durch einen Kondensator 42 überbrückt Im Emit- impulses vom Schwingungsgenerator 2 auf das System 7 terkreis des Transistors 40 ist eine die Ansprechschwelle schnell abklingen.

der Anzeigeeinrichtung 4 bestimmende Zenerdiode 43 Infolgedessen gelangen zur Anzeigeeinrichtung 4 nur vorhanden. In den Basiskreis des Transistors 40 sind als noch sehr kurzzeitige Erregerimpulse, die nach der Mitein Demodulator dienende Dioden 44 und 45 sowie ein 40 telung im Kreis mit den Bauelementen 40,41,42,44,45, Kondensator 46 mit einem Widerstand 47 eingeschaltet. 46 und 47 nur eine wesentlich unter der von der Zener-Der mit einem Widerstand 48 und einer Zenerdiode 49 diode 43 bestimmten Ansprechschwelle des Transistors ausgelegte Kreis dient zur Gewinnung eines Ausgangs- 40 liegende Gleichspannung erzeugen. Der Strom des signals für kontaktlos anzusteuernde Stellglieder. Das Transistors 40 wird dabei vermindert, und das clektro-Relais 41 weist Kontakte 50, 51 auf, mit deren Hilfe 45 magnetische Relais 41 wird ausgeschaltet. Durch die entsprechende Meldelampen 52 und 53 ein- bzw. ausge- Kontakte 50, 51 des Relais 41 wird die entsprechende schaltet werden. Lampe eingeschaltet, die anzeigt, daß das Meßgut die

Der Betrieb der beschriebenen Füllstandsmeß- und Einstellungshöhe des Gebers erreicht hat

-meldeeinrichtung für Schutt- und viskose Güter ver- Änderungen der Eigenfrequenz des mechanischen

iäuft folgendermaßen: 50 Schwingungssystems 7, die unter Betriebsbedingungen

Der Stoßerregcngs-Schwingungsgenerator 2 erzeugt infolge einer Änderung seiner Masse, z. B. aufgrund von kurzzeitige Impulse, deren Dauer wesentlich kleiner festklebendem Meßgut möglich sind, oder die durch Än- und deren Taktfolgedauer etliche Male größer als die derungen der Umgebungstemperatur oder durch Alte-Eigenperiode des mechanischen Schwingungssystems 7 rung des Schwingungssystems hervorgerufen sein könsind Die von dem Schwingungsgenerator 2 erzeugten 55 nen, werden keinerlei Auswirkungen auf Änderungen kurzzeitigen Impulse gelangen an die Wicklung 12 und der Erregungsbedingungen des Schwingungssystems erregen stoßartig Schwingungen im mechanischen haben, da in Obereinstimmung mit den Frequenzände-Schwingungssystem 7. Wenn dieses frei schwingen rungen des Schwingungssystems die zeitliche Lage der kann, werden seine Schwingungen während der Zeit- synchronisierenden Impulse verändert wird Die perio- t spanne zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen prak- 60 dische Erregung der Schwingungen des mechanischen tisch nicht gedämpft Schwingungssystems 7 mit Hilfe des Schwingungsgene-

Während der Zeitspanne zwischen den Erregungsim- rators 2 ist somit zuverlässig mit der tatsächlichen Eipulsen werden die Schwingungen des mechanischen genfrequenz des mechanischen Schwingungssystems Schwingungssystems 7 von der Spule 12 aufgenommen synchronisiert, was eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und in eine Wechselspannung umgewandelt die dem 65 zur Folge hat und eine Vereinfachung der Gestaltung Eingang des Verstärkers 3 zugeführt wird. Die vom Ver- des Gebers, eines seiner anfälligsten Bauelemente, erstärker 3 verstärkte, mit der Eigenfrequenz des mecha- laubt nischen Schwingungssystems 7 alternierende Wechsel-

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung einer Vibrationsfüllstandsmeß- und -anzeigeeinrichtung für schüttfähige und viskose Güter

a) mit einem mechanischen Schwingungssystem (7) und einem elektrisch-mechanischen Schwingungswandler (11), to

b) der elektrisch mit dem Ausgang eines Stoßerregungs-Schwingungsgenerators (2) und dem Eingang eines Verstärkers (3) verbunden ist, dessen Ausgang an eine Anzeigeeinrichtung (4) angeschlossen ist,