DE3140938A1

DE3140938A1 - Vorrichtung zur feststellung und/oder kontrolle eines bestimmten fuellstandes in einem behaelter

Info

Publication number: DE3140938A1
Application number: DE19813140938
Authority: DE
Inventors: Eberhard F. 7888 Rheinfelden Hermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1983-05-19
Also published as: JPS5876722A; DE3140938C2; JPH0261693B2

Description

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines
bestimmten Pillstandes in einem Behälter Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten FUllstandes in einem Behälter mit einem zwei Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von in dem Behälter vorhandenen Eillgut bedämpft werden und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen, wobei die beiden Schwingungselemente gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, koaxial angeordnet und zur Bestimmung des Pillstandes in Schwingungen von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind und das äußere Schwingungselement als in den Behälter hineinragender Schwingstab ausgebildet ist.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 2933618 sind solche Vorrichtungen bekannt, bei denen zwei Schwingw-igselemente als gleiche Resonanzfreouenz aufweisende Drehschwinger ausgebildet und koaxial angeordnet sind und z7.1 Schwingungen in entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind und das äußere Schwingungselement in den Behälter hineinragt.
Durch diese Anordnung der beiden Schigungselemente und eine geeignete Nassenverteilung wird erreicht, daß dieses Schwingungagebilde nahezu keine Schwingungsenergie zur Behälterwandung hin verliert, so daß das Schwingungsgebilde als Fullstandsgrenzschalter verwendet eine sehr große Empfindlichkeit auch gegenüber sehr leichten Fillgütern zeigt und außerdem, da nur e i n Schwingstab mit den Fillgut in Berührung kot, nicht die Fehler der Meßvorrichtungen in Form einer Stimmgabel zeigen kann, bei denen z.B.
Füllgut zwischen den beiden Schwingstäben eingeklemmt werden kann.
Bei der einfachsten Ausführungsform nach dieser OS besteht das Schwingungssystem aus zwei konzentrisch angeordneten Schwingungselementen in Form von Drehachwingern.
Das äußere Schwingungselement besteht aus einem Rohr, das in den Behälter hineinragt und im Zentrum einer Membran, die als Rückstellfeder dient, befestigt ist. Das innere Schwingungselement besteht aus einem Stab, der in das Rohr des äußeren Schwingungselementes hineinragt und im Zentrum einer zweiten keinbran befestigt ist, die ebenfalls als Rückstellfeder dient. Die äußeren Ränder der beiden Membranen sid über ein Rohrstück starr miteinander verbunden. Da die beiden Membranen als Rückstellfeder wirksam sind, sind sie auch frequenbestimend und müssen, da die Frequenzen der beiden Schwingungselemente aufeinander abgestimmt sein müssen, mit entsprechend großer Präzision hergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung oben geschildeter Art zu schaffen, die noch einfacher und damit preiswerter gefertigt werden kann. Insbesondere sollte versucht werden, eine Lösung zu finden, bei der das innere Schwingungselement keine Membrane benötigt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schwingungsgebilde aus zwei koaxial angeordneten und gleiche Resonanzfrequenz au.fweisendenSchwingungselementen besteht, wobei das äußere Schwingungselement als Drehschwinger und das innere Schwingungselement als Biegeschwinger ausgebildet ist und wobei beide zur Bestimmung des Füllstandes zu Schwingungen in entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind.
Das äußere Schwingungselement besteht vorzugsweise aus eines; Rohr, dessen in den Behälter hineinragendes Ende geschlossen ist und dessen anderes Ende im Zentrum einer als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet ist.
Das innere Schwingungselement besteht vorzugsweise aus einem zylindrischen massiven Stab, dessen eines Ende in das Rohr des äußeren Schwingers hineinragt und dessen anderes Enie fest an einer massiven und steifen Platte ei-,ngespaînt ist.
Vorzugsweise ein kurzes Rohrstück verbindet diese Platte mit dem äußeren Rand der Membran und diert zur Schwingiingskopplung der beiden Schwingungselemente.
Durch diesen Lösungsvorschleg wird erreicht, daß das innere Schwingungselement nur noch aus einem einfachen Stab besteht. Eine Membran als Rückstellfeder wird nicht mehr benötigt.
Damit wird die Vorrichtung einfacher und somit noch preiswerter in der Herstellung.
Durch geeignete Dimensionierung der beiden Schwingungselemente unr durch das Ineinanderschieben wird in bekannter Weise erreicht, daß die beiden Schwingungselemente gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, daß sich die Drehmomente und die Auslenkung der Kassen der beiden Schwingungselemente gegenseitig kompensieren, so daß das die beiden Schwingungselemente verbindende Rohrstück mitsamt der Platte, an welche der innere Schwingstab mcntiert ist, beim Schwingungsvorgang in Ru:le bleibt und so den Schwingungsknoten des Schwingungssystem bildet. Das Schwingungssystem kann dann mit dieser Rohrstück in bekannter Weise direkt oder unter Zwischenschaltung einer schwingungsisolierenden Ringmembran in eie Behälterwandung montiert werden, ohne daß de Gefahr best-lit, daß Schwingungsenergie zur Behälterwandung hin verlorengeht.
Als Schwingungsantriebs- und Schwingungsabgriffsystem eignen. sich versc-iedene. Als besonders vorteilhaft hat sich ein piezoelektrisches System gezeigt, bei dem zwei piezoelektrische Keratikplättchen in der Schwingungsebene auf der Membran des äußeren Schwingungselementes angeordnet, vorzugsweise aufgeklebt sind. Eines der beiden Piezokeramikplättchen wird dabei als Schwingungsantriebsystem verwendet.
Dazu wird an das Plättchen eine Wechselspannung angelegt.
Dadurch erfährt das Plättchen eine periodische Änderung seines Durchmessers, wodurch die Membran entsprechend deformiert und damit das System zu Schwingungen angeregt wird. Das andere Plättchen wird als Schwingungsabgriffsystem verwendet. Durch die periodische Deformation der Membran beim Schwingungsvorgang wirken entsprechende Kräfte auf das piezoelektrische Plättchen, so daß dieses ein Wechselspannungssignal abgibt. Dieses Signal wird in bekannter Weise einem Verstärker zugeführt und das verstärkte Signal wiederum auf das erste Keramikplättchen geleitet. Sorgt man Er die richtige Phasenlage, so erhält man in bekannter Weise ein rückgekoppeltes System, das wie ein üblicher Osziliator schwingt, wenn die Ringverstärkung größer 1 ist. Das System schwingt wie bekannt automatisch auf der ResonanzfreDuenz des mechanischen Schwingu9gsgebildes. Wird das in den Behälter hineinragende Schwæingu.ngselement von Füllgut bedeckt. so erfolgt eine Dämpfung der Schwingung, crc ein dem Verstärker nachgeschalteter Schwellwertdiskriminator anspricht und z.B. ein Relais umschaltet. Nach Absinken des Füllstandes wird das in den BehäLter hineinragende Schwingungselement weder frei, so daß das System wieder anschwingt und der Schweffllwertdiskriminator das Relais zurückschaltet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung zu entnehmen.
Fig. 1 zeigt die Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die i Fig. 1 gezeigte Vorrichtung enthalt zwei konzentrisch angeordnete Schwingungselemente. Das äußere in den Behälter hineinraende Schwingungselerent besteht aus dem Rohr 1, das im Zentrum der Membran 3, die als Rückholfeder dient, gelagert ist. Dieses Schwingungselement ist ein Drehschwinger, der Drehschwingungen ausführt im: eine Achse, die im Zentrum der Membran 3 liegt. Das innere Schw-ngungselement besteht aus der zylindrischen Stab 2, der in das Rohr 1 des äußeren Schwigungselementes hineinragt und auf eine massive und steife Platte 4 montiert ist. Dieser Stab 2 führt die Biegeschwingung eines einseitig eingespannten Stabes aus.
Der äußere Rand der Membran 3 ist durch das Rohrstück 5 starr mit der Platte 4 verbunden, die den Biegeschwingerstab 2 trägt.
Auf der Membran 3 sind in der Schwingungsebene auf der dem Behlterinnern abgewandten Seite diametral gegenüberliegend zwei Piezokeramikplättchen 6 und 7 angebracht.
Diese beiden Plättchen wirken als Schwingungsantrieb- bzw.
Schwingungsabgriffsystem. Wird auf das piezokeramische Plättchen 6 eine Wechselspannung gegeben, so verändert sich dessen Durchmesser periodisch, deformiert entsprechend die Membran 3 und regt so das äußere Schwingungselement, bestehend aus dem Rohr 1 und der Membran 3, zu Drehschwingungen in der Zeichenebene an. Durch Schwingungskopplung über das Rohr 5 wird das innere Schwingungselement, bestehend aus dem Stab 2 zu Biege schwingungen ebenfalls in der Zeichenebene aber im umgekehrten Drehsinn, angeregt. Schwingt das System, so wird durch die periodische Deformation der Membran 3 eine Wechselkraft auf das andere piezokeramische Plättchen 7 ausgeübt, so daß dieses eine Wechselspannung abgibt, die der mechanischen Schwingung in Frequenz und Amplitude entspricht. Diese Wechselspannung wird einem Verstärker 11 zugeführt. Die verstärkte Wechselspannung wird dann dem piezokeramischen Plättchen 6 zugeleitet, das als Antriebsystem wirkt. Das so erhaltene rückgekoppelte System schwingt automatisch auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungssystems, wenn die Ringverstärkung gr..er 1 ist. Schwingt das System, so wird ein dem Verstärker 11 nachgeschalteter Schwellwertdis'riminator 12 zum Ansrrechen gebracht, wodurch ein Relais 13 umgeschaltet wird.
Wie oben schon gesagt, sind die beiden Schwingungselemente auf gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und schwingen in Gegenphase, so daß sich die Durch die beiden Schwlngungselemente beim Schwingungsvorgang verursacht ei. Drehinom=nte gegerseitig kompensieren. Außerdem sind die beiden Schwingungselemente in bekannter Weise so dimensioniert, und so weit ineinandergesc-oben, daß sich die durch die Schwingungsauslenkung der Nassen der beiden Schwingungseleente verursachten Wirkungen eberlfalls gegenseitig kompensieren, so daß der Schwerpunkt des gesamten Systems und das Rohrstück 5 mit der Platte 4 während des Schwingungsvorganges in Ruhe bleibt.
Bei dieser Dimensionierung ist zu beachten, daß das innere Schwingungselement ein Biegeschwinger ist, bei dem im Gegensatz zum Drehschwinger die Abhängigkeit der Auslenkung der Massenpunkte aus ihrer Ruhel-ge von ihrem Abstand zur Einspannstelle des Stabes eine nichtlineare Funktion ist.
Diese Bedingungen sind z.B. in ausreichendem Maße erreicht, wenn das Rohr 1 bei Verwendung von rostfreiem Stahl bei einem Außendurchmesser von 15 mm eine Wandstärke von 1,5 mm un eine Länge von 19C mm aufweist. Die Membran 3, ebenfalls aus rostfreiem Stahl, hat bei einem Außendurchmesser von 40 mm eine Membrandicke von 2 mm. Der Schwingstab 2 aus Normalstahl hat bei einem Durchmesser von 9 mm eine Länge von 192 mm. Die beiden Schwingungselemente sind so weit ineinandergeschoben, daß die Platte 4 einen Abstand von 8 mm ZU der Membran 3 hat. Das gesamte System hat dann ene Resonanzfrequenz von ca. 165 Ez und ist so gut ausgewogen, daß praktisch keine Schwingungsenergie zur Behälter wandung in verlorengeht.
In Fig. 1 ist ir weiteren gezeigt, wie das Schwingungssystem mi der Ringmembran 8 in dem Einschraub@@ück 9 aufgehängt ist, das wiederum in die Behälterwandung 10 eingeschraubt ist.

Claims

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmte Füllstandes in einem Behälter Patentansprüche t 9 Vorrichtung zur Feststellung und/oder Kontrolle eines bestinmten Füllstandes in einem Behalter mit einem zwei Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren von dem in dem Behälter vorhandenen Füllgut gedämpft werden und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der t:-litude der Schwir.-gungen, wobei die Schwingungseleinente koaxial angeordnet sind, gleiche Resonanzfrequenz aufweisen und in Gegenphase schwingen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das äußere SchwingurJgselement, als Drehschwirger und das innere Schwingungselemert als Biegeschwinger ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der äußere Drehschwinger aus einer Rohr (1) besteht, das in das Behälterinnere ragt, das an einem Ende geschlossen ist und dessen anderes Ende im Zentrum einer als Rückholfeder wirkenden Membran montiert ist und daß der innere Biegeschwinger ein einseitig in eine steife Platte (4) eingespannter Stab (2) ist, der auf der Grundschwingwjg zu Schwingungen angeregt wird und in das Innere des Rohres (1) hineinragt, und daß die Platte (4) mit einem Rohrstück (5) mit dem äußeren Rand der Membran (3) zur Schwingungskopplung der beiden Schwingungselemente verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Schwingungselemente so dimensioniert und so weit ineinandergeschoben sind, daß sich bei Schwingungsvorgang der beiden Schwinguigseleinente die dadurch verursachten Drehmomente und Nassenauslenkungen gegenseitig kompensieren, so daß das die beiden Schwingungselemente verbindende Rohr (5) den Sc:ingungsknoten des Systems bildet und in Ruhe bleibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Schwingungsantrieb un- zum Schwingungsabgriff je ein piezoelektrisches Keramik-Plättchen (6) und (7) auf der Membran (3) angebracht sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das elektrische Signal de einen piezoelektrischen Wandlers (7) einem Verstärker (11) zuführbar ist und daß das verstärkte Signal sowohl dem andere piezoelektrischen Wandler (6) als auch einem Schwellwertdiskriminator (12) mit nachgeordnetem Relais (13) zuführbar ist.