DE3835406A1 - Vorrichtung zum messen eines fuellstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen eines Füllstandes, mit einem Sende-Empfangsgerät für Schallimpulse, die an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert werden und aus deren Hin- und Rücklaufzeit ein Maß für den Füllstand ermittelt wird, wobei das Sende-Empfangsgerät einen bidirektionalen elektroaku­ stischen Umformer aufweist, dessen Schwingungen nach einer Anregung durch einen reflektierten Schallimpuls oder ein elektrisches Sendesignal innerhalb einer vorbe­ stimmten Zeitspanne abklingen.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 24 44 222), die hauptsächlich zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit verwendet wird und oberhalb der voraus­ sichtlich höchsten Lage der Oberfläche des Füllgutes eingebracht wird, muß ein vorbestimmter Mindestabstand zwischen dem Sende-Empfangsgerät und der Oberfläche des Füllgutes eingehalten werden, um sicherzustellen, daß die Schwingungen des bidirektionalen elektroakusti­ schen Umformers, der ein elektrisches Signal in Schall­ schwingungen und Schallschwingungen in ein elektrisches Signal umformt, nach Aussendung eines Schallimpulses abgeklungen sind, bevor der reflektierte Schallimpuls empfangen wird, um Meßfehler zu vermeiden. Wenn das Sende-Empfangsgerät ferner mit einem Referenzreflektor versehen ist, der am Ende einer Vergleichsstrecke ange­ ordnet und durch einen Träger mit dem Gehäuse des Sende-Empfangsgeräts verbunden ist, muß der vorbestimmte Min­ destabstand größer als die Vergleichsstrecke sein, damit die durch einen am Refrenzreflektor reflektierten Im­ puls angeregten Schwingungen des elektroakustischen Umformers ebenfalls abgeklungen sind, bevor der an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Schallimpuls empfan­ gen wird. Wenn daher bei einer solchen Meßvorrichtung der Füllstand (Wasserstand) plötzlich soweit ansteigt, daß der vorbestimmte Mindestabstand unterschritten wird, so daß bereits innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne, innerhalb der die Schwingungen des bidirektionalen elek­ troakustischen Umformers abklingen, ein reflektierter Schallimpuls empfangen wird, tritt ein Meßfehler auf, da sich die noch vorhandenen Schwingungen des elektroaku­ stischen Umformers mit den durch den reflektierten Schallimpuls angeregten Schwingungen überlagern. Wenn ein Referenzreflektor vorgesehen ist, kann ferner der Fall eintreten, daß nicht mehr zwischen dem am Refrenz­ reflektor reflektierten und dem an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Schallimpuls unterschieden werden kann. Die Folge kann sein, daß beim Füllen eines Behäl­ ters dieser überläuft, insbesondere bei einem Füllgut in Form von Wasser eine Überschwemmung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvor­ richtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die Gefahr eines Überlaufs vermieden ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein (zusätzlicher) Füllstandsfühler vorgesehen ist, der auf das Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes anspricht, bei dem sich der Abstand der Oberfläche des Füllgutes vom bidirektionalen elektroakustischen Umfor­ mer der Länge einer Strecke angenähert hat, die von einem Schallimpuls während der vorbestimmten Zeitspanne zweimal durchlaufen wird.

Dieser zusätzliche Füllstandsfühler spricht an, bevor der vorbestimmte Mindestabstand unterschritten wird, wobei er beispielsweise eine Unterbrechung der Füllgutzu­ fuhr und/oder einen Alarmgeber auslösen kann.

Wenn die Meßvorrichtung einen Referenzreflektor in einem festen Abstand vom Sende-Empfangsgerät zwischen diesem und dem Füllgut aufweist, kann dafür gesorgt sein, daß der Füllstandsfühler ein Berührungsfühler mit einem Fühlkopf ist, dessen Abstand vom bidirektionalen elektro­ akustischen Umformer größer als der des Referenzreflek­ tors ist. Obwohl der zusätzliche Zustandsfühler auch berührungslos, z.B. durch Schall- oder Lichtreflexionen, messen oder als Lichtschranke ausgebildet sein könnte, hat ein Berührungsfühler den Vorteil, daß er von Änderun­ gen des Übertragungsmediums zwischen Fühlkopf und Füllgut und von akustischen bzw. optischen Störsignalen unab­ hängig ist.

Vorzugsweise ist der Füllstandsfühler ein Leitfähigkeits­ fühler. Dieser kann auf einfache Weise rein elektrisch arbeiten und bedarf daher keines Umformers.

Wenn bei einer solchen Meßvorrichtung mit Leitfähigkeits­ fühler der Referenzreflektor durch einen Träger mit dem Sende-Empfangsgerät verbunden ist, kann eine Weiter­ bildung darin bestehen, daß der Träger zwei elektrisch leitende Tragarme aufweist, die elektrisch nichtleitend durch den Referenzreflektor verbunden sind und mit Meß­ elektroden bildenden Enden auf der dem Sende-Empfangs­ gerät abgekehrten Seite des Referenzreflektors vorste­ hen. Dieser Träger hat daher zwei Funktionen in einem: Zum einen dient er als Halter für den Refrenzreflektor, um diesen in dem festen Abstand vom Sende-Empfangsgerät zu halten, und zum anderen wirken seine freien Enden als Leitfähigkeits-Meßelektroden.

Die nicht-leitende Verbindung der Tragarme durch den Referenzreflektor kann auf einfache Weise dadurch er­ reicht werden, daß der Referenzreflektor aus elektrisch isolierendem Material besteht.

Ferner können die Tragarme, ausgenommen ihre die Meßelek­ troden bildenden Enden, einen elektrisch isolierenden Belag aufweisen. Dieser Belag verhindert, daß die Meß­ elektroden im Falle einer unbeabsichtigten Befeuchtung der Oberfläche des Referenzreflektors kurzgeschlossen werden.

Sodann kann bei einer Vorrichtung mit einer in Abhängig­ keit von dem Zeitabstand eines elektrischen Empfangsim­ pulses von einem elektrischen Sendeimpuls eine elek­ trische Ausgangsgröße erzeugenden Zeitmeßeinrichtung dafür gesorgt sein, daß am Ausgang der Zeitmeßeinrichtung eine Betätigungseinrichtung für einen Alarmgeber und/oder einen Füllgutförderer angeschlossen ist, daß die Betäti­ gungseinrichtung in Abhängigkeit von einem Zeitabstand der elektrischen Eingangsimpulse der Zeitmeßeinrichtung, der sich der vorbestimmten Zeitspanne angenähert hat, ein Betätigungssignal erzeugt, daß der Füllstandsfühler einen elektrische Impulse erzeugenden Oszillator auf­ weist, deren Impulsabstand kleiner als die vorbestimmte Zeitspanne ist, und daß der Oszillatorausgang mit dem Eingang der Zeitmeßeinrichtung verbunden ist. Bei dieser Ausbildung wird die ohnehin vorgesehene Zeitmeßeinrich­ tung mehrfach ausgenutzt, d.h. sowohl für die normale Messung des Abstands der Sende- und Empfangsimpulse als auch für die Überwachung des durch den Füllstandsfüh­ ler festgestellten vorbestimmten Füllstandes, bei dessen Überschreitung die Gefahr eines Überlaufs besteht. Sobald der Füllstandsfühler anspricht, wird der Oszillator eingeschaltet und damit das Betätigungssignal für den Füllgut-Förderer und/oder den Alarmgeber ausgelöst. Darüber hinaus ergibt sich eine doppelte Sicherheit für das Ansprechen der Betätigungseinrichtung: Wenn der Zustandsfühler ausfallen sollte, kann dennoch die Betätigungseinrichtung bei Unterschreitung eines der vorbestimmten Zeitspanne entsprechenden Zeitabstands der Sende- und Empfangsimpulse ansprechen, sofern das Überschreiten des vorbestimmten Füllstandes nicht zu rasch erfolgt.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher beschrieben.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung dient zum Messen des Füllstandes eines Füllgutes 1 in Form einer Flüssigkeit in einem Behälter 2. Die Vorrichtung enthält ein Sende-Empfangsgerät 3 für Schallimpulse, die an der Oberfläche 4 des Füllgutes 1 reflektiert werden und deren Hin- und Rücklaufzeit gemessen wird, um daraus ein Maß für den Füllstand zu ermitteln. Ferner enthält die Vorrichtung eine Einrichtung 5 zum Senden und Empfangen elektrischer Impulse, zum Messen des Ab­ stands der ausgesendeten und empfangenen elektrischen Impulse, zur Anzeige des Füllstandes und zur Betätigung eines Füllgutförderers 6 in Form einer Pumpe und eines Alarmgebers 7 in Abhängigkeit von dem gemessenen Füll­ stand.

Das Sende-Empfangsgerät 3 enthält in einem Gehäuse 8 einen bidirektionalen elektroakustischen Umformer 9, der ihm von der Einrichtung 5 über zwei antiparallel geschaltete Dioden 10 und 11 zugeführte elektrische Signale in Schallwellen umformt und durch ein Fenster 12 im Gehäuse 8 in Richtung auf die Oberfläche 4 des Füllguts 1 aussendet und von der Oberfläche 4 reflektier­ te Schallwellen empfängt, wieder in elektrische Signale umformt und über einen Verstärker 13 zur Einrichtung 5 zurücksendet, wobei die Dioden 10 und 11 zwar die relativ großen elektrischen Signale der Einrichtung 5, nicht jedoch die elektrischen Signale des Umformers 9 und auch nicht die Ausgangssignale des Verstärkers 13 durchlassen. Bei dem bidirektionalen elektroakusti­ schen Umformer 9 handelt es sich um einen piezoelek­ trischen Quarz, der bei Anregung durch ein elektrisches Signal Ultraschallwellen und bei Anregung durch Ultra­ schallwellen ein elektrisches Signal erzeugt.

Zwischen dem Gehäuse 8 und der Oberfläche 4 des Füllguts ist ein Referenzreflektor 14 in einem festen Abstand A vom bidirektionalen elektroakustischen Umformer 9 angeordnet und durch einen zwei Tragarme 15, 16 aufwei­ senden Träger mit dem Gehäuse 8 verbunden. Der Referenz­ reflektor 14 reflektiert ebenfalls von dem Umformer 9 ausgesendete Schallimpulse zurück zum Umformer 9. Eine in der Einrichtung 5 enthaltene Zeitmeßeinrichtung 17, die den Zeitabstand eines elektrischen Empfangsim­ pulses von einem elektrischen Sendeimpuls eines Impuls­ generators 19 in der Einrichtung 5 mißt und abhängig von dem Zeitmeßwert ein entsprechendes Längenmaß in Form einer elektrischen Ausgangsgröße einer Anzeigeein­ richtung 18 sowie einer Betätigungseinrichtung 20 für den Füllgut-Förderer 6 und den Alarmgeber 7 zuführt, sorgt ferner selbsttätig durch Vergleichen mit einem Sollwert dafür, daß ein interner (nicht dargestellter) Taktgeber während der Hin- und Rücklaufzeit eines vom Umformer 9 ausgesandten und am Referenzreflektor 14 reflektierten Schallimpulses eine konstante Anzahl von Taktimpulsen erzeugt, die unabhängig von einer Änderung des Übertragungsmediums (z.B. der Dichte, Temperatur usw. der Luft) zwischen dem Umformer 9 und dem Referenz­ reflektor 14 dem zweifachen Abstand A entspricht. Die während der Hin- und Rücklaufzeit des an der Oberfläche 4 des Füllguts 1 reflektierten Schallimpulses in der Einrichtung 17 gezählte Anzahl von Taktimpulsen ist daher ein Maß für den Abstand des Umformers 9, von der Füllgut-Oberfläche 4 und damit für den Füllstand des Füllgutes 1, nach dem dieser Abstand vom Abstand zwischen Behälter-Boden und Umformer 9 subtrahiert wurde, und ebenfalls unabhängig von Änderungen des Übertragungsme­ diums zwischen Umformer 9 und Oberfläche 4. Die Tragarme 15 und 16 sind elektrisch leitend und mit einem elek­ trisch isolierenden Belag 21 versehen, der auf der dem Sende-Empfangsgerät 3 abgekehrten Seite des Referenzre­ flektors 14 vorstehende Enden der Tragarme 15, 16 frei­ läßt. Diese freien Enden bilden den Fühlkopf 22 eines Füllstandsfühlers 23 in Form eines Leitfähigkeitsfühlers, der auf die Berührung des Fühlkopfes 22 mit dem Füllgut 1 anspricht.

Der Referenzreflektor 14 besteht aus isolierendem Mate­ rial und stellt daher eine isolierende Verbindung der Tragarme 15, 16 dar, so daß diese auch bei einer Befeuch­ tung des Referenzreflektors 14, z.B. durch das flüssige Füllgut 1, nicht elektrisch miteinander verbunden werden. Das gleiche wird auch durch den isolierenden Belag 21 der Tragarme 15, 16 erreicht, die außerdem isolierend durch das elektrisch leitende Gehäuse 8 hindurchgeführt sind.

Der Füllstandsfühler 23 enthält eine Meßbrücke 24 aus ohmschen Widerständen 25 bis 27 und der Strecke zwischen den Meßelektroden 22. Im Brücken-Nullzweig liegt ein Schmitt-Trigger 28, der bei einer Verstimmung der Meß­ brücke 24 im Falle einer leitenden Verbindung der Meß­ elektroden 22 durch das Füllgut 1 ausgelöst wird und durch Abgabe einer Betriebsspannung für einen Oszillator 29 diesen einschaltet. Der Oszillator 29 erzeugt elek­ trische Impulse, deren Impulsabstand kleiner als eine vorbestimmte Zeitspanne ist, innerhalb der durch ein elektrisches Sendesignal oder einen reflektierten Schall­ impuls angeregte Schwingungen des Umformers 9 abgeklungen sind. Der Ausgang des Oszillator 29 ist ebenso wie der Ausgang des Verstärkers 13 mit dem Eingang der Zeitmeß­ einrichtung 17 verbunden.

Eine Stromversorgungseinrichtung 30, bestehend aus einem ohmschen Widerstand 31, einem diesem nachgeschalteten Gleichrichter 32 und einem am Ausgang des Gleichrichters 32 angeschlossenen Glättungskondensator 33, erzeugt aus den über die Verbindungsleitung 34 zwischen der Einrichtung 5 und dem Sende-Empfangsgerät 3 übertragenen Impulsen die Betriebsspannung für den Verstärker 13, die Meßbrücke 24 und den Schmitt-Trigger 28.

Der Abstand B des durch die Meßelektroden 22 gebildeten Fühlkopfes vom Umformer 9 ist größer als der Abstand A und so gewählt, daß die Hin- und Rücklaufzeit eines an der Oberfläche 4 reflektierten Schallimpulses, wenn der Füllstand soweit angestiegen ist, daß die Oberfläche 4 den Fühlkopf 22 berührt, gleich oder kleiner als die Zeitspanne ist, während der Schwingungen des Umformers 9 nach einer Anregung durch ein elektrisches Sendesignal oder einen reflektierten Schallimpuls abgeklungen sind.

Wenn daher der Füllstand bzw. die Oberfläche 4 des Füll­ guts 1 im Behälter 2 den Fühlkopf 22 erreicht, so daß eine leitende Verbindung zwischen den Meßelektroden auftritt, wird der Schmitt-Trigger 28 durch die Meßbrücke 24 ausgelöst und der Oszillator 29 eingeschaltet. Die Zeitmeßeinrichtung 17 stellt daher einen Zeitabstand zwischen den ihr vom Oszillator 29 zugeführten Impulsen fest, der kleiner als die vorbestimmte Zeitspanne ist, innerhalb der die Schwingungen des Umformers 9 abgeklun­ gen sind. Der Ansprech-Schwellenwert der ebenfalls als Schmitt-Trigger ausgebildeten Betätigungseinrichtung 20 ist so gewählt, daß die Betätigungseinrichtung 20 bei diesem Zeitmeßwert anspricht und den Füllgut-För­ derer 6 einschaltet, der daraufhin das Füllgut aus dem Behälter 2 abpumpt und auf diese Weise ein Überlaufen des Behälters 2 und damit eine Überschwemmung verhindert, da der Fühlkopf 22 unterhalb der Oberkante des Behälters 2 liegt. Gleichzeitig wird der Alarmgeber 7 eingeschal­ tet.

Sowohl der Abstand A als auch der Abstand B sind größer gewählt als es der Länge einer Strecke entspricht, die ein vom Umformer 9 ausgesandter Schallimpuls während der halben Zeitspanne zurücklegt, in der die nach Anre­ gung durch ein elektrisches Signal oder einen reflektier­ ten Schallimpuls ausgelösten Schwingungen des Umformers abgeklungen sind. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein reflektierter Schallimpuls den Umformer 9 erreicht, bevor seine durch den vorhergehenden elektrischen Im­ puls ausgelösten Schwingungen abgeklungen sind. Dadurch werden Meßfehler vermieden. Aus dem gleichen Grunde ist auch der Abstand B minus A des Fühlkopfes 22 vom Referenzreflektor 14 wenigstens so groß gewählt, daß die durch einen am Referenzreflektor 14 reflektierten Schallimpuls ausgelösten elektrischen Schwingungen des Umformers 9 abgeklungen sind, bevor derselbe Schallimpuls an der Oberfläche 4 reflektiert worden und am Umformer 9 eingetroffen ist, wenn der Füllstand den Fühlkopf 22 erreicht hat.

Der Schwellenwert der Betätigungseinrichtung 20 ist so gewählt, daß der Zeitabstand der durch den Umformer 9 aus den an der Oberfläche 4 reflektierten Schallimpul­ sen erzeugten elektrische Impulse, wenn der Füllstand den Fühlkopf 22 erreicht, hinreichend klein sein muß, um die Betätigungseinrichtung 20 auszulösen. Daher wird auch dann, wenn der Füllstandsfühler 23, z.B. aufgrund eines Defekts, nicht ansprechen sollte, obwohl der Füll­ stand den Fühlkopf 22 erreicht hat, die Betätigungsein­ richtung 20 durch die vom Umformer 9 erzeugten elek­ trischen Impulse, die der Zeitmeßeinrichtung 17 über den Verstärker 13 zugeführt werden, ausgelöst und der Füllgut-Förderer 6 sowie der Alarmgeber 7 rechtzeitig eingeschaltet, wenn der Füllstand nicht zu rasch an­ steigt, noch bevor die Zeitmeßeinrichtung 17 einen zu niedrigen Impulsabstand bzw. zu hohen Füllstand festge­ stellt hat. Der Füllstandsfühler 23 verhindert dagegen bei ordnungsgemäßer Funktion einen Überlauf und damit gegebenenfalls eine Überschwemmung, weil die vom Oszil­ lator 29 erzeugten Impulse einen wesentlich geringeren Zeitabstand aufweisen können, als die vom Umformer 9 dann erzeugten elektrischen Impulse, wenn der Füllstand den Fühlkopf 22 erreicht. Die Zeitmeßeinrichtung 17 kann daher auch bei raschem Anstieg des Füllstandes rechtzeitig einen zu niedrigen Impulsabstand bzw. einen zu hohen Füllstand feststellen und die Betätigungsein­ richtung 20 auslösen.

Zwar wäre es auch möglich, das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 28 unmittelbar der Betätigungseinrich­ tung 20 zuzuführen und den Oszillator 29 wegzulassen, doch entfällt durch die Verwendung des Oszillators 29 eine zusätzliche Verbindungsleitung zwischen dem Sende- Empfangsgerät 3 und der zumeist weit entfernt von diesem angeordneten Einrichtung 5.

Weitere Abwandlungen können beispielsweise darin be­ stehen, daß der Füllstandsfühler 23, statt auf die Leit­ fähigkeit des Füllguts 1 anzusprechen, als Lichtschranke, Reflexionsfühler, z.B. Licht-Reflexionsfühler, als elektrischer oder magnetischer Annäherungsfühler oder als ein durch einen Schwimmer betätigter Schalter ausge­ bildet wird. Der dargestellte Leitfähigkeitsfühler hat jedoch den Vorteil, daß er im Aufbau sehr einfach und in höherem Maße unabhängig von Störeinflüssen ist. Ge­ gebenenfalls kann der Füllgutförderer 6 oder der Alarm­ geber 7 entfallen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen eines Füllstandes, mit einem Sende-Empfangsgerät für Schallimpulse, die an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert werden und aus deren Hin- und Rücklaufzeit ein Maß für den Füllstand ermittelt wird, wobei das Sende-Empfangsgerät einen bidirektionalen elektroakustischen Umformer aufweist, dessen Schwingungen nach einer Anregung durch einen reflektierten Schallimpuls oder ein elektrisches Sendesignal innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne abklingen, dadurch gekennzeichnet, daß ein (zusätz­ licher) Füllstandsfühler (23) vorgesehen ist, der auf das Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes anspricht, bei dem sich der Abstand der Oberfläche des Füllgutes (1) vom bidirektionalen elektroaku­ stischen Umformer (3) der Länge einer Strecke ange­ nähert hat, die von einem Schallimpuls während der vorbestimmten Zeitspanne zweimal durchlaufen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Referenzreflek­ tor (14) in einem festen Abstand (A) vom bidirektiona­ len elektroakustischen Umformer (9) zwischen diesem und dem Füllgut, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsfühler (23) ein Berührungsfühler mit einem Fühlkopf (22) ist, dessen Abstand (B) vom bi­ direktionalen elektroaukustischen Umformer (9) größer als der (A) des Referenzreflektors (14) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsfühler (23) ein Leitfähigkeitsfüh­ ler ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Referenzre­ flektor (14) durch einen Träger mit dem Sende-Empfangsgerät verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zwei elektrisch leitende Tragarme (15, 16) aufweist, die elektrisch nichtleitend durch den Referenzreflektor (14) verbunden sind und mit Meßelektroden (22) bildenden Enden auf der dem Sende-Empfangsgerät (3) abgekehrten Seite des Referenzre­ flektors (14) vorstehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzreflektor (14) aus elektrisch isolie­ rendem Material besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tragarme (15, 16), ausgenommen ihre die Meßelektroden (22) bildenden Enden, einen elektrisch isolierenden Belag (21) aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, mit einer in Abhängigkeit von dem Zeitabstand eines elek­ trischen Empfangsimpulses von einem elektrischen Sendeimpuls eine elektrische Ausgangsgröße erzeugenden Zeitmeßeinrichtung (17), dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Zeitmeßeinrichtung (17) eine Betä­ tigungseinrichtung (20) für einen Alarmgeber und/oder einen Füllgutförderer (6) angeschlossen ist, daß die Betätigungseinrichtung (20) in Abhängigkeit von einem Zeitabstand der elektrischen Eingangsimpulse der Zeitmeßeinrichtung (17), der sich der vorbestimm­ ten Zeitspanne angenähert hat, ein Betätigungssignal erzeugt, daß der Füllstandsfühler (23) einen elek­ trische Impulse erzeugenden Oszillator (29) aufweist, deren Impulsabstand kleiner als die vorbestimmte Zeitspanne ist, und daß der Oszillatorausgang mit dem Eingang der Zeitmeßeinrichtung (17) verbunden ist.