DE3740598C2 - Schwingeinheit für Füllstand-Vibrations-Grenzschalter - Google Patents
Schwingeinheit für Füllstand-Vibrations-GrenzschalterInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Feststellung eines
bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde,
welches zwei mit gleicher Resonanzfrequenz und in entgegengesetztem
Drehsinn schwingende und im Abstand zueinander koaxial angeordnete
Schwingungselemente aufweist, wobei das äußere Schwingungselement das
innere Schwingungselement zumindest teilweise umfaßt, so daß die
Schwingungen des Schwingungsgebildes bei Berührung des Füllguts mit dem
äußeren Schwingungselement gedämpft werden, wobei sowohl der Antrieb des
Schwingungsgebildes als auch die Erfassung der Schwingungsamplitude
mittels elektromechanischer Umformer in Form von piezo-elektrischen
Elementen erfolgt, wie sie beispielsweise aus der EP 0 089 336 B1 bekannt
sind. Hierdurch wird eine präzise Überwachung der Füllstandshöhe in
einem Behälter ermöglicht, unabhängig von den Einspannverhältnissen des
Schwingungsgebildes und für nahezu beliebige Füllgüter großer und
geringer Dichte.
Die bisher bekannten koaxial aufgebauten Drehschwingsysteme hatten den
Nachteil, daß die elastische Befestigung der beiden Schwingungselemente
getrennt an zwei eigenständigen Federelementen erfolgte. Dies hatte zur
Folge, daß ein gemeinsamer Antrieb beider Schwingungselemente nicht
möglich war.
Die DE 31 40 938 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Füllstands
kontrolle in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde, das
aus zwei Schwingungselementen besteht, die konzentrisch und sich
zumindest teilweise umfassend angeordnet sind, wobei dessen
Schwingungen bei Berührung von Füllgut gedämpft werden und
wodurch eine Anzeige ausgelöst wird. Das äußere Schwingungs
element ist dabei als Drehschwinger und das innere Schwingungs
element als Biegeschwinger ausgebildet, wobei das innere Schwin
gungselement keine Membran benötigt.
Die DE 34 16 254 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung
eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem durch
einen ersten elektromechanischen Wandler zu Schwingungen ange
regten Schwingungselement, dessen Schwingungen von einem zweiten
elektromechanischen Wandler in ein elektrisches Signal umgesetzt
werden. Das Schwingungselement umfaßt einen Hohlkörper mit-darin
befestigtem Querglied, auf dem der erste elektromagnetische
Wandler befestigt ist. Das Querglied ist durch den Wandler in
radial gerichtete Schwingungen versetzbar und zur Entkopplung
des in Schwingungen versetzten Rohrteiles vorgesehen, wobei
mittels eines Entkopplungsgliedes zwischen Rohrteil und Befesti
gungsteil das Abfließen von Schwingungsenergie verhindert wird.
Vorzugsweise besteht das Entkopplungsglied aus einer das Rohr
teil und das Befestigungsteil verbindenden Membran und einem
Dämpfungselement, über welches sich das Rohrteil gegen den
Befestigungsteil abstützt.
Die Erfindung steht daher unter der Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß beide Schwingungselemente des
Drehschwingsystems gemeinsam angetrieben werden können.
Die Aufgabe wurde durch die Verwendung eines gemeinsamen Federelements
für die Befestigung beider Schwingungselemente gelöst.
Ein Drehschwingsystem obengenannter Art besteht aus zwei koaxial
zueinander angeordneten Schwingungselementen, die sich zumindest
teilweise im Abstand zueinander umfassen. Als Federelement für diese
Schwingungselemente dient eine Membran an der beide Schwingungselemente
mit ihrem einen Ende befestigt sind.
Über diese Membran werden die Schwingungselemente angetrieben und es
erfolgt über sie auch die Messung der Schwingungsamplitude.
Die Schwingungselemente schwingen gegenläufig zueinander. Sie haben
gleich große Massen, einen gemeinsamen Massenschwerpunkt sowie eine
gemeinsame Drehachse, wodurch sich ihre Drehmomente gegenseitig auf
heben.
Die Membran wird durch die gegenläufigen Schwingungselemente ausgelenkt,
wobei auf ihr Schwingungsknoten, das heißt Punkte, die sich nicht
bewegen, entstehen. Diese Punkte werden benutzt, um die Membran selber am
Behälter, vorzugsweise über ein Einschraubteil, zu befestigen. Dadurch,
daß die Membranbefestigung an diesen Stellen angreift, wird das System
nicht bedämpft und es fließt auch keine Schwingungsenergie zum Behälter
hin ab.
Durch mechanische Fertigungstoleranzen ist es möglich, daß die Membran
befestigung nicht genau an den Schwingungsknoten angreift. Damit dann
trotzdem keine Schwingenergie abfließt, kann zwischen Membranbefestigung
und Behälter noch eine Entkopplungsmembran angebracht werden. Antrieb und
Detektion der Schwingung erfolgen vorzugsweise über Piezoscheiben, die
direkt auf der Membran, an der die beiden Schwingungselemente befestigt
sind, aufgebracht sind. Das bedeutet aber, daß im Falle eines defekten
Piezos eine Reparatur unmöglich ist und die ganze Schwingungseinheit
ausgewechselt werden muß.
Um dies zu vermeiden, kann die Antriebs- und Detektionseinheit abnehmbar
ausgeführt werden, wie in Anspruch 3 ausgeführt, wobei die Verbindung
zwischen Piezos und Membran über einen Stößel hergestellt wird.
Sobald der äußere Schwingungskörper mit dem Füllgut in Berührung kommt,
wird die Schwingung gedämpft, was dann zur Registrierung des Füllstands
verwendet wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich
aus den in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsformen.
Es zeigen
Fig. 1 Eine geschnittene Seitenansicht des Drehschwingsystems.
Fig. 2 Eine Variante des in Fig. 1 dargestellten Systems.
Fig. 3a, 3b, 3c Den Schwingungsverlauf der gemeinsamen
Befestigungsmembran der Schwingungskörper.
In Fig. 1 ist in Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Schwingeinheit für Füllstand-Vibrations-Grenzschalter dargestellt. Sie
besteht aus zwei koaxial zueinander angeordneten Schwingungselementen 10
und 12, die sich zumindest teilweise im Abstand zueinander umfassen.
Beide Schwingungselemente sind rohrförmig ausgebildet.
Die beiden Schwingungselemente 10, 12 sind an ihrem oberen freien Ende
mit einer als Rückholfeder wirkenden gemeinsamen Ringmembran 14 verbun
den.
Die beiden gegenläufig zueinander schwingenden Schwingungselemente 10, 12
haben gleich große Massen und einen gemeinsamen Massenschwerpunkt sowie
eine gemeinsame Drehachse, so daß sich ihre Drehmomente gegenseitig
aufheben.
Beim gegenläufigen Schwingen der beiden Schwingungselemente 10, 12
entsteht auf der gemeinsamen Ringmembran 14 ein Schwingungsknoten 30
zwischen den beiden Schwingungselementen. Fig. 3a und 3b zeigen, daß auch
bei unterschiedlicher Auslenkung der Schwingungselemente 10, 12 der
Schwingungsknoten 30 stets an der gleichen Stelle bleibt.
Im Bereich dieses Schwingungsknoten 30 ist auf der gegenüberliegenden
Membranseite ein Befestigungsring 16 angebracht. Dieser Befestigungsring
16 muß genau über dem Schwingungsknoten 30 liegen, so daß ohne Bedämpfung
des Systems eine Befestigung an einem Einschraubteil 18 stattfinden kann,
ohne daß über das Einschraubteil 18 Schwingenergie abfließt.
Durch mechanische Fertigungstoleranzen ist es möglich, daß der Befe
stigungsring 16 nicht exakt über dem Schwingungsknoten 30 liegt und somit
ein geringer Teil der Schwingenergie abfließen könnte. Um dies zu
verhindern kann, wie in Fig. 1 dargestellt, zwischen Befestigungsring 16
und Einschraubteil 18 eine Entkopplungsmembran 20 angebracht werden.
Antrieb und Detektion des Schwingsystems entsprechend Fig. 1 erfolgen
über zwei aufgeklebte Piezoscheiben 22. Im Falle eines defekten Piezos
ist eine Reparatur nicht möglich, es muß das ganze System ausgetauscht
werden.
In Fig. 2 ist daher ein Schwingsystem mit auswechselbarer Antriebs- und
Detektionseinheit dargestellt. Das Einschraubteil 18 enthält ein
metallisches Joch 24, in welchem ein Piezostapel untergebracht ist. Ein
Stößel 26 stellt die Verbindung zwischen der Ringmembran 14 und dem im
Joch 24 gelagerten Piezostapel her. Um die Ringmembran 14 möglichst wenig
zu belasten, ist der Stößel 26 möglichst dicht am Befestigungsring 16
plaziert, so daß er nahe beim Schwingungsknoten 30 mit kurzem Hebelarm
angreift.
Um ein Durchbiegen der Membranmitte in axialer Richtung zu verhindern,
ist im Zentrum der Membran 14 eine Stützschraube 28 federelastisch
angeordnet.
In Fig. 3a, 3b und 3c ist die Verformung der Ringmembran 14 bei
Auslenkung der Schwingungselemente 10 und 12 näher dargestellt. In Fig 3a
ist die tatsächlich bogenförmige Verformung der Ringmembran 14
dargestellt, während in den Fig. 3b und 3c der Verformungsverlauf der
Ringmembran 14 nur noch schematisch eckig dargestellt ist. Es wird
deutlich, daß auch bei unterschiedlicher Auslenkung der
Schwingungselemente 10 und 12 der Schwingungsknoten 30 stets an der
gleichen Stelle bleibt.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes
in einem Behälter mit einem Schwingungsgebilde, welches zwei mit
gleicher Resonanzfrequenz und in entgegengesetztem Drehsinn um
eine gemeinsame Drehachse schwingende und im Abstand zueinander
koaxial angeordnete Drehschwingungselemente (10, 12) aufweist,
wobei das äußere Schwingungselement (10) das innere Schwingungs
element (12) zumindest teilweise umfaßt, so daß die Schwingungen
des Schwingungsgebildes bei Berührung des Füllgutes mit dem
äußeren Schwingungselement (10) gedämpft werden, wobei sowohl
der Antrieb des Schwingungsgebildes als auch die Erfassung der
Schwingungsamplitude mittels elektromechanischer Umformer in
Form von piezoelektrischen Elementen (22) erfolgt, wobei das
äußere Schwingungselement (10) als auch das innere Schwingungs
element (12) an einer gemeinsamen Ringmembran (14) befestigt
sind und wobei ein Befestigungsring (16) zur Verbindung der
Ringmembran (14) mit dem Behälter an den Schwingungsknoten der
Ringmembran (14) angreift.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsring (16) elastisch
durch Zwischenschaltung einer Entkopplungsmembran (20) mit dem
Behälter verbunden ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (22)
abnehmbar angebracht sind und ihre Verbindung zur Ringmembran
(14) mittels eines Stößels (26) erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Ringmembran (14)
eine Stützschraube (28) federelastisch angeordnet ist, um ein
Durchbiegen der Membran in axialer Richtung zu verhindern.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (26) nahe dem Schwin
gungsknoten (30) der Ringmembran (14) mit kurzem Hebelarm an
greift, um die Ringmembran (14) nur wenig zu belasten.
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