DE3810669A1 - Vorrichtung zur ueberwachung des pegelstandes einer fluessigkeit - Google Patents
Vorrichtung zur ueberwachung des pegelstandes einer fluessigkeitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung
des Pegelstandes eines flüssigen Mediums mit einem Körper, der
durch eine elektrische Spannung in mechanische Schwingungen
versetzbar ist, die gedämpft werden, wenn der Körper direkt
oder indirekt mit dem zu überwachenden flüssigen Medium in
Berührung kommt. Die Vorrichtung ist besonders vorteilhaft
einsetzbar im Zusammenhang mit einem piezo-keramischen
Pegelstands-Sensor, der in der Patentanmeldung mit dem Titel
"Vorrichtung zur Pegelstandsüberwachung" (VPA 88 E 3090)
vom gleichen Tage beschrieben wird.
In Tanks mit dünnflüssigen Medien, z.B. mit Wasser oder flüssi
gem Gas, ist oft eine Überwachung des Flüssigkeitspegels
erforderlich. Es sollen Schalt- und/oder Schutzmaßnahmen
eingeleitet werden, sobald ein vorgegebener Pegelstand erreicht
ist. Insbesondere bei Behältern, die unter Druck stehen, oder
bei Behältern mit gefährlichen Medien dient die Überwachung
auch der Betriebssicherheit und dem Umweltschutz. Da oft auch
ältere Behälter nachgerüstet werden müssen, sollte der
Pegelstands-Sensor eine kleine Bauform besitzen und leicht
montierbar sein. In explosionsgefährdeten Umgebungen ist
darüber hinaus eine explosionsgeschützte Ausführung
wünschenswert oder gar erforderlich.
Es ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands eines
flüssigen Mediums unter der Bezeichnung "Grenzschalter zur
Füllstandserfassung" (Technische Revue, Juli/August 1987,
Kennziffer TR 0427) bekannt, bei der eine Art Stimmgabel ver
wendet wird, die elektrisch zu Schwingungen angeregt wird. Wird
die Stimmgabel in einem Gas betrieben, werden die Schwingungen
nur wenig bedämpft. Taucht dagegen die Stimmgabel in eine
Flüssigkeit ein, werden die Schwingungen stark gedämpft. Diese
Änderung des Schwingungsverhaltens wird elektrisch detektiert
und elektronisch weiterverarbeitet. Beim Eintauchen in die
Flüssigkeit wird ein Schaltsignal abgegeben. Eine solche Vor
richtung hat den Nachteil, daß sie prinzipbedingt relativ groß
ist. Außerdem läßt sich mit ihr nur eine relativ kleine
Schaltgenauigkeit erzielen.
Aus der deutschen Patentschrift 20 32 433 ist ein Schwingsystem
bekannt, das einen in Dickenrichtung polarisierten piezo
elektrischen Wandler umfaßt, an den mit Hilfe von Stromzufüh
rungen eine Wechselspannung angelegt wird. An dem piezoelektri
schen Wandler ist ein kegelstumpfförmiges Materialteil, z.B.
aus Aluminium, befestigt. Auf dessen Spitze ist wiederum ein
plattenförmiges Endstück oder eine Arbeitsplatte befestigt.
Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch kein Pegelstandssensor,
sondern eine Einrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten.
Letztere werden dabei zum Zerstäuben auf die Arbeitsplatte
gegeben. Der Energiebereich dürfte im Bereich von etlichen Watt
liegen, während der vorliegende Pegelstands-Sensor mit einer
Energie von etlichen Mikro- oder Milli-Watt auskommen soll.
In der erwähnten, gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung
mit dem Titel "Vorrichtung zur Pegelstandsüberwachung" wird
eine Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands eines
flüssigen Mediums angegeben, die besonders zuverlässig arbeitet
und die besonders klein ausgeführt werden kann. Sie ist
charakterisiert durch einen piezoelektrischen Körper, der
durch Anlegen einer elektrischen Spannung in mechanische
Schwingungen versetzbar ist, die gedämpft werden, wenn der
Körper direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden flüssigen
Medium in Berührung gerät. Eine bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, daß der piezoelektrische Körper an einem Metallteil
befestigt ist, das ein plattenförmiges Endstück aufweist. Aus
Gründen einer einfachen Fertigung wird dabei so vorgegangen,
daß der piezoelektrische Körper, das Metallteil und das
plattenförmige Endstück rotationssymmetrisch ausgebildet sind,
wobei das Metallteil kegelstumpfförmig geformt ist und am
verjüngten Bereich das besagte Endstück aufweist, das von
größerem Durchmesser ist als dieser verjüngte Bereich. Kommt
das Endstück mit der Flüssigkeit in Berührung, führt dies -
unter Vermittlung des Metallteils, also auf indirektem Wege -
zu einer Dämpfung des piezoelektrischen Körpers, die elek
trisch oder elektronisch nachgewiesen und zu Schaltmaßnahmen
ausgenutzt wird.
Die vorliegende Erfindung basiert ebenfalls auf der Überlegung,
daß ein besonders kleinvolumiger und zuverlässiger Pegelstands-
Sensor aufgebaut werden kann, wenn dazu ein piezoelektrischer
Körper, insbesondere ein piezo-keramischer Schwinger, verwendet
wird.
Die Erfindung beruht weiter auf der Überlegung, daß zur Gewähr
leistung eines optimalen Arbeitens eines piezo-keramischen
Schwingers die Anregungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz
des Schwingers übereinstimmen muß. Diese Forderung würde einen
aufwendigen Abgleich des zur Ansteuerung des Schwingers ver
wendeten Oszillators bedingen. Weiterhin würde diese Forderung
eine Schaltung verlangen, die den Schwinger als Resonator (d.h.
als frequenzbestimmendes Element) im Rückführungszweig des
Oszillators beinhaltet.
Als auswertbares Signal könnte die detektierbare mechanische
Dämpfung des Resonators, und zwar in Form eines statischen
Signals, benutzt werden. Dies erfordert ebenfalls einen genauen
Abgleich eines Schwellwertdetektors, der zur Auswertung der
Dämpfung benötigt würde. Dessen Schwellwert müßte so justiert
werden, daß bei Temperaturschwankungen oder Alterung des
Schwingers (Sensors) oder der angeschlossenen Elektronik noch
eine sichere Funktion gewährleistet ist. Andernfalls wären
Betriebsausfälle zu befürchten. Auf jeden Fall wären aber
Nachjustierungen erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß ein kleinvolumiger Aufbau
und eine sichere Funktion ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird nach einer ersten grundlegenden Ausführung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper ein piezo
elektrischer Körper ist, und daß eine elektrische Schaltung
vorgesehen ist, die die dem piezoelektrischen Körper zugeführte
elektrische Anregungsenergie mißt und bei einer vorgegebenen
Größe dieser Anregungsenergie ein Schaltsignal abgibt.
Eine besonders bevorzugte zweite grundlegende Ausführung hat
sich zur Aufgabe gestellt, bei Temperaturschwankungen oder
Alterungen des als Schwinger verwendeten piezoelektrischen
Körpers oder der angeschlossenen Speise- oder Auswerteschaltung
noch eine sichere Funktion zu gewährleisten. Die Lösung dieser
Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß der Körper ein
piezoelektrischer Körper ist, daß die dem piezoelektrischen
Körper zugeführte elektrische Spannung sich periodisch in der
Frequenz ändert, daß die Frequenz dabei die Resonanzfrequenz des
Körpers überstreicht, und daß insbesondere die im Bereich der
Resonanzfrequenz liegende Wechselspannungsamplitude ausgewertet
wird. Bei dieser zweiten Ausführung wird also keine feste
Frequenz erzeugt; vielmehr wird eine Wobbelfrequenz auf den
piezoelektrischen Körper gegeben, wobei die Resonanzfrequenz
des Schwingers überfahren wird. Im Bereich der Resonanzfrequenz
tritt bei ungedämpftem Schwinger eine beträchtliche Impedanz
änderung ein, die mit der nachgeordneten elektrischen Schaltung
erfaßt wird und für Schaltmaßnahmen, beispielsweise an einem
Abschaltventil für zulaufende Flüssigkeit, ausgenutzt werden
kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen in ein Gehäuse eingesetzten Pegelstands-Sensor mit
piezo-keramischem Schwinger, der zur Überwachung des
Flüssigkeitsniveaus in einem Behälter dient;
Fig. 2 eine elektrische Schaltung zur Speisung des Schwingers
und zum Erfassen des Zeitpunkts, in dem die zu
überwachende Flüssigkeit den Schwinger berührt;
Fig. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den nicht bedämpften
Schwinger und
Fig. 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den bedämpften
Schwinger, der mit der Flüssigkeit in Berührung steht.
In Fig. 1 ist ein Pegelstands-Sensor oder Schwinger 1 darge
stellt, wie er im wesentlichen in der parallelen Patentanmeldung
P ... (Titel: "Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstandes")
vom gleichen Anmeldetag beschrieben ist. Danach umfaßt der
Pegelstands-Sensor 1 eine piezo-keramische Platte 2 mit Elek
troden 4 und 6, an denen elektrische Leitungen 8, 10 angeschlos
sen sind. An der Platte 2 ist ein sich nach unten verjüngendes
kegelstumpfförmiges Metallteil 12 befestigt, das beispielweise
aus V2A-Stahl besteht. Dieses weist an der verjüngten Seite eine
Endplatte 14 auf, die bei Beaufschlagung der Platte 2 mit einer
Hochfrequenz-Spannung U in Schwingungen gerät. Im vorliegenden
Fall befindet sich der Sensor 1 in einem Gehäuse 20, beispiels
weise aus V2A-Stahl. Die Befestigung kann mittels eines
Befestigungsflansches 16 vorgenommen werden.
Das Gehäuse 20 ist zylinderförmig ausgebildet und innen mit
einer gestuften Höhlung 22 versehen. Öffnungen 24, 26 erleich
tern den Flüssigkeitseintritt. In der Höhlung 22 befindet sich
auch eine druckfeste Kabeldurchführung 30, beispielsweise
aus Aluminiumoxid. Die in das Gehäuse 20 führenden Leitungen zur
Speisung des Schwingers 1 sind mit 38, 40 bezeichnet.
Der Schwinger 1 dient zur Erkennung von Grenzwerten beim
Befüllen eines Flüssigkeitstanks 42 mit einer Flüssigkeit 44,
beispielsweise mit Flüssiggas. Hierbei kommt es darauf an, daß
der Füllstands-Sensor 1 explosionsgesichert ausgebildet ist.
Bei der folgenden Betrachtung wird davon ausgegangen, daß der
Schwinger 1 mit einer Hochfrequenz im Bereich von etwa 100 bis
120 kHz gewobbelt wird. Die hierfür aufzuwendende Leistung ist,
bedingt durch die gewählte Dimensionierung der einzelnen Bau
teile 2 bis 14, nur gering. Sie kann z.B. nur ca. 100 Milli-Watt
betragen.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung wird zur Steuerung des
Schwingers 1 keine feste Frequenz erzeugt; vielmehr wird mit der
besagten Wobbelfrequenz im Bereich von 100 bis 120 kHz gearbei
tet. Natürlich kann auch ein anderer Frequenzbereich gewählt
werden; dieser muß jedoch die Resonanzfrequenz f r des Schwingers
1 umfassen.
Nach Fig. 2 erzeugt ein Generator 50 entweder eine periodische
dreieckförmige Steuerspannung a oder eine sägezahnförmige
Steuerspannung b für einen spannungsgesteuerten Oszillator 52.
Der Oszillator 52 speist über einen Vorwiderstand 54 den
Schwinger oder Sensor 1 mit einer hochfrequenten Wechselspannung
U. Der Oszillator 52 liefert auf diese Weise die Wobbelfrequenz,
in deren Bereich sich die Resonanzfrequenz f r des Sensors 1
befindet. Bespielsweise beträgt die Resonanzfrequenz f r = 110 kHz,
und der Bereich der Wobbelfrequenz liegt zwischen 100 und
120 kHz. Dieser Bereich kann beispielsweise innerhalb von 0,5 s
durchfahren werden.
In der erwähnten Betriebsweise wird die Resonanz des Sensors 1
bei Verwendung eines Dreieckgenerators 50 in jeder Periode
zweimal durchlaufen. Ist der Generator 50 dagegen ein Sägezahn
generator, so wird die Resonanzstelle des Senors 1 in jeder
Periode einmal durchlaufen. Solange der Sensor 1 unbedämpft
schwingen kann, d.h. solange er nicht mit dem flüssigen Medium
44 in Berührung steht, unterliegt die am Vorwiderstand 54
abgegriffene Wechselspannung U Schwankungen, die durch den
Impedanzverlauf des unbedämpften Sensors 1 bedingt sind.
Dem Vorwiderstand 54 ist ein Gleichrichter 56 nachgeschaltet.
Eine mögliche Ausführungsform ist im Block des Gleichrichters 56
symbolisch angedeutet. Der Gleichrichter 56 erzeugt aus der
schwankenden HF-Wechselspannung U eine sich äquivalent ändernde
Gleichspannung G.
Nach einer (nicht gezeigten) Ausführungsform könnte nun die
Gleichspannung G mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen
werden. Um aber den dabei von Zeit zu Zeit erforderlichen
Abgleich auf einen bestimmten Schwellwert zu umgehen, ist nach
der vorliegenden Ausführungsform dem Gleichrichter 56 ein
Differenzierglied 58 nachgeschaltet. Eine mögliche Ausführungs
form ist im Block des Differenziergliedes 58 eingetragen. Das
Differenzierglied 58 gibt ein Ausgangssignal D ab, das der
Änderungsgeschwindigkeit der am Gleichrichter 56 gewonnenen
NF-Wechselspannung G proportional ist.
Das Ausgangssignal D des Differenziergliedes 58, das aus
einzelnen Impulsen besteht, gelangt auf eine Ausgangsstufe 60,
die als Verstärker oder - wie nicht gezeigt - bevorzugt als
Monoflop ausgebildet sein kann. Dieser Monoflop dient zur
Verlängerung der eingehenden Impulse. Das heißt, das Monoflop
60 wird durch die einzelnen Impulse des Signals D immer neu
gestartet; es ist dabei so dimensioniert, daß sein astabiler
Zustand etwas länger dauert als der Abstand zweier Impulse aus
dem Differenzierglied 58. Auf diese Weise wird ein statisches
Signal S erzeugt, das auf eine Schaltstufe 62 gegeben wird.
Diese Schaltstufe 62 dient dazu, am Ausgang 63 ein Schaltsignal
A für eine angeschlossene Einrichtung 64, beispielsweise ein
Abschaltventil, insbesondere ein Magnetventil, zu liefern. Mit
Hilfe dieses Magnetventils 64 kann der Zulauf von Flüssigkeit
44 in den Behälter 42 unterbrochen werden.
Es wird nun der Fall betrachtet daß der Sensor 1 bedämpft
wird, d.h. mit Flüssigkeit 44 in Berührung kommt. Dann besitzt
er keine ausgeprägte Resonanzkurve mehr; sein Impedanzverlauf
nähert sich einer Geraden. In diesem Fall hat die am Vorwider
stand 54 gewonnenen HF-Wechselspannung einen stabilen Pegel;
nach dem Gleichrichter 56 liegt eine reine Gleichspannung G vor,
und das Differenzierglied 58 liefert nun keine Impulse mehr an
das Monoflop 60, welches dadurch in den stabilen Zustand
zurückfällt und die Schaltstufe 62 umschaltet. Dieses
Umschalten bewirkt eine Unterbrechung des Flüssigkeitsflusses
durch das Abschaltventil 64.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie das Ausgangssignal G des
Gleichrichters 56 aussieht, wenn der Schwinger 1 nicht
bedämpft ist. Man erkennt hier, daß im Mittenbereich, d.h. wenn
die Resonanzfrequenz f r überstrichen wird, eine deutliche
Amplitudenänderung sich bemerkbar macht. In Fig. 4 dagegen ist
das Ausgangssignal G des Gleichrichters 56 aufgetragen, wenn
der Schwinger 1 durch Eintauchen seiner Endplatte 14 plötzlich
stark bedämpft wird. Das erwähnte ausgeprägte Maximum ist
verschwunden; es führt in der nachgeschalteten Stufe 60 nicht
mehr zu einer Verlängerung von Impulsen, was nun zu einem
Abschalten des Abschaltventils 64 führt.
Diese rein dynamische Arbeitsweise besitzt den Vorteil, daß
Temperaturdriften der Resonanzfrequenz f r des Sensors 1 oder
der elektronischen Bauteile 50-62 ebenso wie Alterungseffekte
in weitem Umfang abgefangen werden. All diese Effekte haben
dann keinen Einfluß auf die einwandfreie Funktion der gezeigten
Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Ausfall des Sensors
1, bei Kabelbruch oder bei Ausfall der Elektronik 50-58 ein
Schaltzustand am Ausgang 63 erzeugt wird, der einem Ansprechen
des Sensors 1 entspricht und damit eine weitere Befüllung des
zu überwachenden Behälters 42 unterbindet. Die Vorrichtung ist
also eigensicher. Mit anderen Worten: Vom Differenzierglied 58
werden Impulse im Ausgangssignal D abgegeben, wenn (a) die
Schaltung einwandfrei funktioniert und (b) der maximale
Füllstand noch nicht erreicht ist; diese Impulse führen dazu,
daß das Schaltventil 64 geöffnet bleibt. Die Impulse am Ausgang
des Differenziergliedes 58 fallen dagegen weg, wenn (c) der
vorgegebene Füllstand erreicht ist und der Sensor 1 dabei in
Kontakt mit der Flüssigkeit 44 tritt, oder wenn (d) ein Defekt
in der Schaltung 50-58 vorliegt. Die beiden letzteren
Bedingungen (c) und (d) führen also zu einem Abschalten des
Abschaltventils 64 (sicherer Zustand). Die dargestellte
Vorrichtung ist daher insbesondere zur Überwachung eines
Maximalstands der Flüssigkeit 44 geeignet. Hervorzuheben ist
auch, daß der Energieverbrauch vergleichsweise gering ist.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstandes eines flüssigen
Mediums (44) mit einem Körper (2), der durch eine elektrische
Spannung (U) in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die
gedämpft werden, wenn der Körper (2) direkt oder indirekt mit
dem zu überwachenden flüssigen Medium (44) in Berührung kommt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper
(2) ein piezoelektrischer Körper ist, und daß eine elektrische
Schaltung (50-62) vorgesehen ist, die die dem piezoelektri
schen Körper (2) zugeführte elektrische Anregungsenergie mißt
und bei einer vorgegebenen Größe dieser Anregungsenergie ein
Schaltsignal (A) abgibt.
2. Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands eines flüssigen
Mediums (44) mit einem Körper (2), der durch eine elektrische
Spannung (U) in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die
gedämpft werden, wenn der Körper (2) direkt oder indirekt mit
dem zu überwachenden flüssigen Medium (44) in Berührung kommt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper
(2) ein piezo-elektrischer Körper ist, daß die dem piezoelektri
schen Körper (2) zugeführte elektrische Spannung (U) sich
periodisch in der Frequenz (f) ändert, daß die Frequenz (f)
dabei die Resonanzfrequenz (f r ) des Körpers (2) überstreicht,
und daß insbesondere die im Bereich der Resonanzfrequenz (f r )
liegende Wechselspannungsamplitude ausgewertet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Spannung (U) eine frequenzveränder
liche Sägezahn- oder Dreiecksspannung (a, b) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Frequenz (f) der Spannung (U) sich etwa zwischen 100 und 120 kHz
ändert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang
eines Spannungsgenerators (50) mit periodischer Spannungsampli
tude (a, b) mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten
Oszillators (52) verbunden ist, dessen Ausgang wiederum mit den
Anschlüssen (38, 40) des in Schwingungen versetzbaren piezoelek
trischen Körpers (2) in Verbindung steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß an die
Anschlüsse (38, 40) des piezoelektrischen Körpers (2) ein
Gleichrichter (56) geschaltet ist, dem wiederum ein
Differenzierglied (58) nachgeschaltet ist, das im Bereich
der Resonanzfrequenz (f r ) bei bedämpftem Körper (2) ein
kleineres Signal abgibt als bei unbedämpftem Körper (2) .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß dem
Differenzierglied (58) ein Monoflop (60) nachgeschaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Ausgangssignal (S) des Monoflops (60) einem Schalter (64) zu
geführt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Schalter (64) zu einem Abschaltventil gehört, das zum
Abschalten eines Füllvorgangs für die Flüssigkeit (44) dient.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der piezo
elektrische Körper (2) an einem konischen Metallteil (12)
befestigt ist, das ein plattenförmiges Endstück (14) aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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ID=6350980
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883810669 Expired - Fee Related DE3810669C2 (de) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstandes einer Flüssigkeit |
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