DE3820687C2 - Vorrichtung zum Messen der Konsistenz, insbesondere bei Siedepfannen für die Zuckerherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Kon­ sistenz und Viskosität, insbesondere derjenigen des Inhalts von Siedepfannen bei der Zuckerherstellung.

Die bekannten Systeme zum Messen von Viskosität und Konsis­ tenz dichte; Massen, beispielsweise Füllstoffmassen bei der Zuckergewinnung, arbeiten mit einer Trommel, die mit vorbe­ stimmter Drehzahl innerhalb der in Betracht stehenden fluiden Masse gedreht wird. Der Drehantrieb der Trommel erfolgt durch eine Antriebswelle, die mit einem Drehmomentmesser versehen ist, also mit einer Einrichtung, mit der das an der Antriebs­ welle wirkende Drehmoment meßbar ist. Wenn das an der Antriebs­ welle wirkende Drehmoment und die Umdrehungszahl der Antriebswelle bekannt sind, läßt sich die Leistung ermitteln, welche aufgrund der Reibung an der sich innerhalb der viskosen Flüssigkeit drehenden Trommel absorbiert wird. Durch eine Reihe geeigneter Eichvorgänge ist es auf diese Art für den Fachmann möglich, mittels einer derartigen Einrichtung die Konsistenz und Viskosität der in Betracht stehenden Flüssigkeit zu ermitteln.

Ein Drehmomentmesser kann in der Weise aufgebaut werden, daß eine geeignete Anzahl von Dehnungsmeßelementen an der Antriebswelle angebracht wird. Eine derartige Lösung ist jedoch nur für verhältnismäßig lange und hoch belastete Wellen geeignet. Wenn die wirkenden Kräfte verhältnismäßig klein sind, ist es vorzuziehen, anstelle der Messung der Verfor­ mungen den Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Enden der Welle zu ermitteln.

Eine koaxiale Gegenwelle ermöglicht es, diesen Phasenwinkel in einem einzigen Meßvorgang zu ermitteln, indem eine erste Scheibe auf die Antriebswelle in der Nähe von deren Antriebs­ ende aufgeschrumpft wird. Eine zweite Scheibe, die neben der ersten angeordnet ist, ist mit der koaxialen Gegenwelle auf Drehung verbunden. Diese hat, wegen des Fehlens eines an ihr wirkenden Drehmoments, über ihre ganze Länge, Längen­ abschnitt für Längenabschnitt, die gleiche winkelmäßige Ori­ entierung wie dasjenige Ende der Antriebswelle, das der in die Flüssigkeit eingetauchten Trommel nächstgelegen ist, weil die Gegenwelle mit diesem Ende der Antriebswelle verbunden ist. Bei Fehlen eines an der Antriebswelle herrschenden Dreh­ moments hat daher die zweite Scheibe die gleiche winkelmäßige Orientierung wie die erste Scheibe. Beim Auftreten eines Drehmoments ergibt sich ein Phasenverschiebungswinkel zwischen erster und zweiter Scheibe, der als Maß für das Drehmoment dient.

Beim Stand der Technik weisen die beiden Scheiben am Umfang eine Verzahnung auf, wobei die Zähne bei stillstehender An­ triebswelle genau miteinander in Phase sind. Wenn jedoch die Vorrichtung im Betrieb ist, dann führt ein Verdrehen der Antriebswelle zwischen ihren beiden Enden zu einem winkel­ mäßigen Verschieben der beiden Reihen gleich ausgebildeter Zähne der genannten beiden Scheiben. Ein geeigneter optischer Sensor mißt die in Umfangsrichtung gemessene Größe der Lücken zwischen den Zähnen der beiden nebeneinanderliegenden Scheiben. Aufgrund dieser Messung ist das Drehmoment ermittelbar. Mit anderen Worten gesagt, mißt der optische Sensor die zeitliche Länge der Lichtdurchgänge oder Hellperioden, die durch die Öffnung zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Zahnreihen gebildet sind, und vergleicht diese Hellzeiten mit den Dunkel­ zeiten, die durch die Länge der beiden sich teilweise über­ lappenden Zähne, gemessen in Umfangsrichtung, definiert sind.

Bei diesem bekannten Meßsystem ergeben sich jedoch Nachteile aufgrund des Umstandes, daß der optische Sensor mit unter­ schiedlichen Ansprechkurven arbeitet, je nachdem, ob ein Übergang von Dunkelzone zu Hellzone stattfindet oder umge­ kehrt. Um einen annehmbaren Genauigkeitsgrad zu erreichen ist es bei bekannten Meßvorrichtungen daher erforderlich, laufend Nacheichungen durchzuführen, was zu hohen Betriebs­ kosten führt.

Aus der US-PS 3 940 979 und der FR-22 71 563 sind ähnliche Vorrichtungen bekannt, bei denen die Zähne sowie die Lücken zwischen den Zähnen beider Scheiben in Umfangsrichtung jeweils gleich breit sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Betracht stehenden Art zu schaffen, die demgegenüber einfacher und wirtschaftlicher betreibbar ist, trotzdem je­ doch eine hohe Meßgenauigkeit bietet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei der Erfindung vorgesehen, daß die in Umfangsrichtung gemessene Breite der Zähne bei der einen verzahnten Scheibe anders gewählt ist als bei der anderen verzahnten Scheibe.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß jede Scheibe gleich ausge­ bildete Zähne besitzt, daß jedoch bei der einen Scheibe die Lücken zwischen benachbarten Zähnen eine in Umfangsrichtung gemessene Lückenbreite besitzen, die größer ist, als die Zahnbreite.

Außerdem kann erfindungsgemäß die in Umfangsrichtung gemessene Zahnbreite der zweiten Scheibe als Bruchteil der in Umfangs­ richtung gemessenen Lückenbreite zwischen den Zähnen der ersten Scheibe gewählt sein.

Schließlich kann die Lage der "schmäleren" Zähne der zweiten Scheibe so gewählt sein, daß der "schmale" Zahn bei allen in Betracht kommenden Drehmomenten niemals über den Bereich der Lücke zwischen benachbarten Zähnen der ersten Scheibe auswandert.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung geschieht die Messung des Phasenwinkels durch Ermitteln des Zeitraums zwi­ schen zwei Dunkel/Hell-Sprüngen. Die Messung geschieht also ausschließlich unter Berücksichtigung des Dunkel/Hell-Überganges am Sensor und daher bei immer gleichbleibendem Ansprech­ verhalten, so daß sich eine wesentlich größere Genauigkeit ergibt, ohne daß wiederholte Nacheichungen erforderlich wären.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die in ebener Abwicklung dargestellte Form der Zähne einer ersten und einer zweiten Zahnscheibe bei einer bekannten Meßvorrichtung;

Fig. 2 den Kurvenverlauf des Ausgangssignals beim lichtelektrischen Meßvorgang der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und

Fig. 4 eine den Fig. 1 und 2 ähnliche Darstellung der Zahn formen und Signalformen bei der er­ findungsgemäßen Vorrichtung.

In der Fig. 1 ist mit Schraffurlinien die Form geschliffener Zähne 10 und 20 einer ersten bzw. einer zweiten Zahnscheibe dargestellt. Die Zähne der ersten und der zweiten Scheibe sind zueinander versetzt eingezeichnet, was einem an der Antriebswelle wirkenden Drehmoment entspricht. Wenn nämlich bei bekannten Vorrichtungen dieser Art kein Drehmoment an der Welle vorhanden ist, dann sind die Zähne der zwei Scheiben miteinander genau in Deckung. Wenn andererseits ein Drehmoment an der Welle wirkt, wie es beim Beispiel von Fig. 1 und 2 der Fall ist, dann existiert eine Phasenverschiebung 31 zwischen den beiden Scheiben, die eine Funktion des an der Antriebswelle herrschenden Drehmoments ist und daher mit der zu messenden Konsistenz in Beziehung steht.

In der Realität liefert der opto-elektrische Sensor, der zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen der Umfangslänge der Öffnung und der Umfangslänge der durch Zähne gebildeten Verdunke­ lungszone zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungen benutzt wird, kein augenblickliches Ansprechen beim Übergang von einem Hellbereich zu einem Dunkelbereich. Tatsächlich steht das Infor­ mationssignal erst nach einem zwar kleinen, jedoch real existie­ renden Zeitintervall zur Verfügung, das an der Kurve 30 mit 34 angegeben ist. In ähnlicher Weise erfolgt das Ansprechen des opto-elektrischen Sensors beim Übergang von einem Dunkel­ bereich zum folgenden Hellbereich nicht augenblicklich, sondern innerhalb eines mit 35 bezeichneten Zeitintervalls.

Die in Fig. 2 zum Zwecke der Anschaulichkeit übertrieben groß eingezeichneten Zeitintervalle 34 und 35 sind nicht gleich lang, weil das Ansprechverhalten des Sensors bei unterschied­ lichem Vorzeichen der empfangenen Information und in Abhängig­ keit von der Temperatur unterschiedlich ist. Hieraus ergibt sich, daß die der Kontur der Kurve 30 entnehmbaren Signalinter­ valle wegen der unterschiedlichen Größe der Zeitintervalle 34; 35 infolge der unterschiedlichen Verlaufsformen der anstei­ genden und abfallenden Flanken der Kurve 30 nicht in einem direkten Verhältnis zu den in Fig. 1 angegebenen Zeitintervallen 37 bzw. 38 stehen, die genau den Dunkelzeiten bzw. den Hellzeiten entsprechen.

Bei der Erfindung haben, wie es in Fig. 4, oben gezeigt ist, die Zähne 110 der ersten Scheibe eine in Umfangsrichtung gemessene Breite, die im wesentlichen der Breite der Lücke zwischen den Zähnen entspricht.

Die Zähne 120 der zweiten Scheibe haben jedoch eine wesentlich kleinere, in Umfangsrichtung gemessene Breite, sind also wesent­ lich schmäler als die Zähne 110. Bei Stillstand der Scheiben ohne Vorhandensein eines anstehenden Drehmoments liegen die "schmalen" Zähne 120 innerhalb des Lückenbereichs zwischen zwei benachbarten Zähnen 110 der ersten Scheibe.

Die mechanische Dimensionierung des Systems ist so gewählt, daß bei Herrschen des größten vorgesehenen Drehmoments die schmalen Zähne 120 immer vor der Lücke zwischen den benachbarten Zähnen 110 der ersten Scheibe bleiben. Das vom opto-elektrischen Sensor abgegebene Signal hat nun die in Fig. 4 bei C angege­ bene Signalform. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Scheiben wird dabei ermittelt durch Messen des Abstandes zwischen den aufsteigenden Flanken jedes Paars benachbarter Signalhöcker. Dadurch erübrigt sich ein wiederholtes Eichen der Vorrichtung, weil die ansteigenden Flanken des Signals des opto-elektrischen Sensors jeweils den gleichen Linearitätsfehler zeigen, der somit ohne Auswirkung bleibt, also kompensiert ist.

Die Verhältnisse wären prinzipiell gleich, wenn die Phasen­ verschiebung bestimmt würde, indem der Abstand zwischen auf­ einanderfolgenden abfallenden Flanken des vom opto-elektrischen Sensor abgegebenen Signals gemessen wird.

In Fig. 3 sind mit 131 und 132 eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtbündels, das zwischen den beiden Zahnreihen am Um­ fang der Scheiben hindurch tritt, bzw. ein opto-elektrischer Detektor bezeichnet ,der das von der Lichtquelle 131 abgestrahlte Licht empfängt, je nach Vorhandensein von Lücken oder Fenstern zwischen den an ihrem Umfang benachbarten Scheiben. Die Bezugs­ zahl 41 bezeichnet eine Rechteck-Impulsformerschaltung, 142 bezeichnet ein monostabiles Schaltelement und 143 einen Phasen­ verschiebungsdetektor. Mit 144 ist ein integrierender Verstärker bezeichnet. Die Bezugszahlen 145, 146, 147 und 148 bezeichnen:

• a) ein Radizierglied,
• b) einen Konverter,
• c) einen Optokoppler und
• d) eine Ausgangsstufe.

Da die Verarbeitung intermittierender Signale bekannt ist, bedarf es keiner weiteren Erläuterung bezüglich der Auslegung der Schaltung von Fig. 3.

In Fig. 4 zeigt das Diagramm A die geschliffene Form der Zähne der ersten Scheibe, das Diagramm B die geschliffene Kontur der Zähne der zweiten Scheibe, das Diagramm C das vom opto-elektrischen Sensor erzeugte Signal, das jedoch bereits beim Durch­ gang durch den Rechteckformer 41 geformt ist. Das Diagramm D schließlich zeigt das gleiche Signal nach weiterer Verarbeitung in dem Phasenverschiebungsdetektor 143.

Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnung beschränken sich nur auf die Angabe von Merkmalen, die für die beispiels­ weise Verkörperung der Erfindung wesentlich sind.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Messen der Konsistenz, insbesondere derjenigen des Inhalts von Siedepfannen bei der Zuckerher­ stellung, mit zwei Scheiben, die mittels getrieblicher Ein­ richtungen eine neben der anderen angeordnet sind und von denen die erste Scheibe mit dem einen Ende einer Antriebswelle drehfest verbunden ist, welche eine in die zu messende fließ­ fähige Masse eingetauchte Trommel antreibt, und von denen die zweite Scheibe mit dem zweiten Ende der Antriebswelle drehfest verbunden ist, so daß der Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Scheiben eine Funktion des an der Antriebs­ welle herrschenden Drehmoments ist, wobei die Scheiben beide an ihrem Umfang mit einer Verzahnung versehen sind und ein geeigneter optischer Sensor axial vor den Zähnen der Scheiben angeordnet und zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen den Hell- und Dunkelzeiten von zwischen den Zähnen beider Scheiben hindurchtretendem Licht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in gleichen gegenseitigen Abständen angeordneten Zähne (120) einer der beiden Scheiben eine in Umfangsrichtung gemessene Zahnbreite besitzen, die kleiner ist als die in Umfangsrichtung gemessene Weite der Lücken zwischen den Zähnen (110) der anderen Scheibe.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer an sich bekannten elektronischen Steuer­ schaltung versehen ist, die dazu eingerichtet ist, das Zeit­ intervall zwischen dem Durchgang der einen Seitenkante eines Zahnes der einen Scheibe und dem Durchgang der bezüglich der gleichen Umfangsrichtung entsprechenden Seitenkante eines ersten Zahnes der anderen Seite zu ermitteln.