DE3912038A1 - Vorrichtung zur feststellung und/oder ueberwachung eines vorbestimmten fuellstands in einem behaelter - Google Patents
Vorrichtung zur feststellung und/oder ueberwachung eines vorbestimmten fuellstands in einem behaelterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/
oder Überwachung eines bestimmten Füllstandes in einem Behäl
ter mit einem mechanischen Schwingungsgebilde, das aus zwei im
Abstand zueinander angeordneten Schwingungselementen besteht,
von denen jedes im Zentrum einer von zwei parallel im Abstand
voneinander angeordneten, als Rückholfeder wirkenden Membran
angeordnet ist und aus zwei zu beiden Seiten der zugehörigen
Membran liegenden Teilen besteht, die so ausgebildet sind, daß
der Schwerpunkt jedes Schwingungselements in der Ebene der zu
gehörigen Membran liegt, wobei die im Zwischenraum zwischen
den beiden Membranen liegenden Teile der beiden Schwingungs
elemente Massekörper sind und der auf der anderen Seite der
Membran liegende Teil des ersten Schwingungselements ein Stab
ist, der als Detektorstab mit dem Füllgut in Berührung kommt,
wenn dieses den zu überwachenden Füllstand erreicht, mit einem
Schwingungserreger, der die beiden Schwingungselemente in ge
gensinnige Schwingungen um die in den Ebenen der Membranen
liegenden Drehachsen versetzt, und mit Einrichtungen zur Aus
lösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit
von der Amplitude oder der Frequenz der Schwingungen.
Die Funktion solcher Vorrichtungen, die auch als Füllstands
grenzschalter bekannt sind, beruht darauf, daß sich die Ampli
tude oder die Frequenz der Schwingungen des mechanischen
Schwingungsgebildes ändert oder die Schwingungen sogar ganz
aussetzen, wenn der Detektorstab mit dem Füllgut in Berührung
kommt. Durch die Verwendung von zwei gegensinnig schwingenden
Schwingungselementen soll erreicht werden, daß sich die von
den Schwingungselementen über die Membranen auf die Einspan
nung ausgeübten Momente gegenseitig aufheben, so daß Verluste
an Schwingungsenergie über die Einspannung vermieden werden.
Solche Energieverluste verringern die Empfindlichkeit der Vor
richtung und erfordern die Zuführung einer größeren Leistung
für die Schwingungserregung.
Bei einer aus der DE-AS 28 55 643 bekannten Vorrichtung der
eingangs angegebenen Art sind die beiden Schwingungselemente
mechanisch voneinander getrennt und lediglich durch ein Rohr,
an dem die Ränder der beiden Membranen eingespannt sind, mit
einander verbunden. Die Erregung der gegensinnigen Schwingun
gen der beiden Schwingungselemente erfolgt durch ein elektro
magnetisches Antriebssystem, das durch die Seitenwand des Roh
res in der Mitte zwischen den beiden Membranen gleichzeitig
auf die Massekörper der beiden Schwingungselemente einwirkt.
Der auf der anderen Seite der Membran liegende Teil des zwei
ten Schwingungselementes ist gleichfalls ein Massekörper von
gleicher Art wie die beiden zwischen den Membranen liegenden
Massekörper, so daß zwar das zweite Schwingungselement in be
zug auf seine Membran symmetrisch ist, die beiden Schwingungs
elemente voneinander aber sehr verschieden sind und das mecha
nische Schwingungsgebilde als Ganzes einen unsymmetrischen
Aufbau hat. Bei dieser Vorrichtung läßt sich der gewünschte
Ausgleich der Momente im Betrieb nicht aufrechterhalten.
Insbesondere bei Ansatzbildungen des Füllguts am Detektorstab
ändern sich die für die Schwingungserregung maßgeblichen Para
meter des ersten Schwingungselements, so daß die Amplituden
gleichheit und genaue Gegensinnigkeit der Schwingungen der
beiden Schwingungselemente nicht mehr gewährleistet ist. Jede
Unsymmetrie in den Schwingungen der beiden Schwingungselemente
verursacht jedoch Schwingungsenergieverluste über die Einspan
nung. Darüber hinaus hat der ungleiche Aufbau der beiden
Schwingungselemente zur Folge, daß die von den beiden Schwin
gungselementen über die Membran auf die Einspannung ausgeübten
Querkräfte nicht ausgeglichen sind, selbst wenn ein vollstän
diger Ausgleich der Momente besteht. Dieser Fehlabgleich
der Querkräfte verursacht ebenfalls Verluste an Schwingungs
energie, die sich zu den durch einen Fehlabgleich der Momente
verursachten Verlusten addieren.
Des weiteren ist eine seitlich angeordnete gemeinsame Schwin
gungserregung durch ein gleichzeitig auf die beiden Schwin
gungselemente einwirkendes Antriebssystem in vielen Fällen un
günstig. Beispielsweise ist die Anordnung eines elektromagne
tischen Antriebssystems in der Mitte des die Membranen tragen
den Rohres schwierig, wenn das Rohr in das Innere des Behäl
ters ragen soll. Zwar wäre es bei der bekannten Vorrichtung
möglich, nur eines der beiden Schwingungssysteme durch das An
triebssystem in Schwingungen zu versetzen, die dann über das
die Membranen verbindende Rohr auf das andere Schwingungsele
ment übertragen würden; eine genau gegenphasige Schwingung der
beiden Schwingungselemente und demzufolge ein vollständiger
Momentabgleich wäre aber durch diese Art der Schwingungserre
gung im Falle von Ansatzbildungen noch weniger erzielbar.
Aus der DE-OS 36 19 678 ist andererseits eine Vorrichtung zur
Feststellung und/oder Anzeige eines bestimmten Füllstands be
kannt, die ein mechanisches Schwingungsgebilde aufweist, das
in den Zentren von zwei parallel im Abstand voneinander ange
ordneten Membranen gelagert ist. Dieses Schwingungsgebilde be
steht jedoch nicht aus zwei im Abstand voneinander angeordne
ten Schwingungselementen, sondern aus einem einzigen Schwin
gungselement in Form eines als Biegeschwinger ausgebildeten
Stabes, der an zwei Schwingungsknoten in den beiden Membranen
gelagert ist. Da die Rückstellkraft durch die Stabspannung
selbst aufgebracht wird, wirken die Membranen nicht als Rück
holfedern, sondern sie dienen nur als Lagerungen. Die Schwin
gungserregung dieses einzigen stabförmigen Schwingungselements
erfolgt durch einen piezoelektrischen Wandler, der an dem Stab
auf der dem Behälter abgewandten Seite angebracht ist. Da ein
solches Schwingungsgebilde in Form eines an zwei Schwingungs
knoten eingespannten Stabes eine unerwünscht große Baulänge
ergibt, sind zur Verkürzung der Baulänge sowohl im Zwischen
raum zwischen der Membran als auch an dem nicht mit dem Füll
gut in Berührungen kommenden Ende des Stabes Zusatzgewichte
angebracht.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der
eingangs angegebenen Art, die unter allen Betriebsbedingungen,
insbesondere auch bei Ansatzbildungen am Detektorstab, und un
abhängig von der Art der Schwingungserregung exakt gegensinni
ge und amplitudengleiche Schwingungen der beiden Schwingungs
elemente und demzufolge einen vollkommenen Momentabgleich ge
währleistet.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die
beiden Schwingungselemente an den einander zugewandten Seiten
der Massekörper durch eine Feder gekoppelt sind, die senkrecht
zur Achsrichtung der Schwingungselemente eine große Steifig
keit und parallel zur Achsrichtung der Schwingungselemente ei
ne geringe Steifigkeit aufweisen.
Bei der nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung erzwingt
die den Massekörper verbindende Feder infolge ihrer großen
Steifigkeit in der Schwingungsrichtung, die senkrecht zur
Achsrichtung der Schwingungselemente liegt, exakt amplituden
und phasengleiche Bewegungen der beiden Massekörper und demzu
folge genau gegensinnige und amplitudengleiche Schwingungen
der beiden Schwingungselemente. Diese Wirkung ist unabhängig
von Einflüssen, die die Schwingungen eines der beiden Schwin
gungselemente beeinträchtigen, wie die Bedämpfung durch das
Füllgut oder Masseänderungen infolge von Ansatzbildungen am
Detektorstab. Ferner ist die erzwungene Gegensinnnigkeit und
Amplitudengleichheit der Schwingungen unabhängig von der Art
der Schwingungserregung; es ist daher ohne weiteres möglich,
den Schwingungserreger nur auf eines der beiden Schwingungs
elemente einwirken zu lassen, da dessen Schwingungen durch die
Feder direkt auf das andere Schwingungselement übertragen wer
den. Die bei den Schwingbewegungen auftretenden axialen Bewe
gungskomponenten der beiden Massekörper werden durch die ge
ringe Steifigkeit der Feder in der Achsrichtung zugelassen.
Durch diese geringe Steifigkeit der Feder in der Achsrichtung
werden auch thermisch bedingte Längenänderungen ausgeglichen.
Durch eine besondere Dimensionierung der Stäbe und Massekörper
der beiden Schwingungselemente ist es zusätzlich möglich, au
ßer einem vollkommenen Momentabgleich auch einen Abgleich der
von den beiden Schwingungselementen verursachten Querkräfte zu
erzielen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher eine
hohe Ansprechempfindlichkeit bei geringem Leistungsbedarf auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in
der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
des Füllstandsgrenzschalters nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Füllstandsgrenzschalter
von Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 das Prinzipschaltbild der elektrischen Erregungs
schaltung für den Füllstandsgrenzschalter von Fig.
1,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Detektorstab längs der
Linie IV-IV von Fig. 1,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Kompensationsstab langs
der Linie V-V von Fig. 1,
Fig. 6 eine Abänderung des Füllstandsgrenzschalters von Fi
gur 1,
Fig. 7 einen Längsschitt durch eine zweite Ausführungsform
des Füllstandsgrenzschalters nach der Erfindung und
Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform
des Füllstandsgrenzschalters nach der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte Füllstandsgrenzschalter 10 wird
von einem Einschraubstück 12 getragen, das in eine Gewindeöff
nung in einer Wand 14 eines Behälters eingeschraubt ist, in
dem sich ein Füllgut befindet. Der Füllstandsgrenzschalter
soll feststellen, ob der Füllstand im Behälter über oder unter
einer vorbestimmten Höhe liegt, und er wird zu diesem Zweck
auf der Höhe dieses festzustellenden Füllstandes montiert. Die
Einbaulage ist beliebig; der Füllstandsgrenzschalter kann, wie
in der Zeichnung dargestellt ist, horizontal in einer Seiten
wand des Behälters montiert sein, oder auch vertikal in einer
oberen Abschlußwand des Behälters, wenn er feststellen soll,
ob der Behälter ganz gefüllt ist, oder in jeder beliebigen an
deren Lage.
Der Füllstandsgrenzschalter 10 hat ein rohrförmiges Gehause
16, das über ein Verlängerungsrohr 18 mit dem Einschraubstück
12 verbunden ist, und ein koaxial zu dem Gehäuse 16 angeordne
tes mechanisches Schwingungsgebilde 20, das über zwei Membra
nen 22, 24 mit den beiden Enden des Gehäuses 16 verbunden ist.
Das mechanische Schwingungsgebilde 20 besteht aus zwei Schwin
gungselementen 26 und 28, die im Innern des Gehäuses 16 durch
eine Feder 30 miteinander verbunden sind.
Das Schwingungselement 26 besteht aus einem im Innern des Ge
häuses 16 angeordneten Massekörper 32, an dem ein Ansatzstück
33 angeformt ist, das durch die Mitte der Membran 22 hindurch
geht und mit dieser dicht verbunden ist, und aus einem am Ende
des Ansatzstücks 33 befestigten Detektorstab 34, der in den
Behälter ragt, in dem sich das Füllgut befindet. Die Membran
22 kann in einem Stück mit dem Massekörper 32 und dem Ansatz
stück 33 geformt und am äußeren Rand dicht mit der Stirnfläche
des rohrförmigen Gehäuses 16 verbunden sein, beispielsweise
durch eine Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindung. In gleicher
Weise besteht das Schwingungselement 28 aus einem im Innern
des Gehäuses 16 angeordneten Massekörper 36, an dem ein An
satzstück 37 angeformt ist, das durch die Mitte der Membran 24
hindurchgeht und mit dieser dicht verbunden ist, und aus einem
am Ende des Ansatzstücks 37 befestigten Kompensationsstab 38,
der im Innern des Verlängerungsrohres 18 liegt. Die Membran 24
kann ebenfalls in einem Stück mit dem Massekörper 36 und dem
Ansatzstück 37 geformt und am äußeren Rand durch eine Schweiß-
Löt- oder Klebeverbindung dicht mit der Stirnfläche des rohr
förmigen Gehäuses 16 verbunden sein.
Wie die Querschnittsansicht von Fig. 2 erkennen läßt, haben
die beiden Massekörper 32 und 36 die Form von Zylindersegmen
ten gleichen Querschnitts mit einander zugewandten ebenen
axialen Flächen 35 bzw. 39, die sich symmetrisch zur Achse der
beiden Schwingungselemente in geringem Abstand gegenüberlie
gen, so daß sich die beiden Schwingungselemente 26 und 28, wie
Fig. 1 zeigt, im Bereich der Massekörper 32 und 36 in axialer
Richtung gegenseitig überlappen. Die Massekörper 32 und 36
sind in ihrem mittleren Bereich mit einander gegenüberliegen
den, radial verlaufenden Ausschnitten 40 bzw. 41 versehen, in
denen die Feder 30 angeordnet ist. Die Feder 30 ist an beiden
Enden mit Befestigungselementen 42 und 43 verbunden, die durch
Schrauben 44 bzw. 45 in den Ausschnitten 40 bzw. 41 an den
Massekörpern 32 bzw. 36 befestigt sind.
Die Feder 30 ist so ausgebildet, daß sie senkrecht zur Achs
richtung der beiden Schwingungselemente eine große Steifigkeit
und parallel zur Achsrichtung der beiden Schwingungselemente
eine geringe Steifigkeit aufweist. Dies wird bei der Ausfüh
rungsform von Fig. 1 auf einfache Weise dadurch erreicht, daß
die Feder 30 ein elastischer Stab oder ein Federblatt ist,
dessen Längsrichtung senkrecht zur Achsrichtung der beiden
Schwingungselemente angeordnet ist. Ein elastischer Stab hat
in seiner Längsrichtung eine große Steifigkeit und in der
Richtung quer zu seiner Längsrichtung eine geringe Steifig
keit. Desgleichen hat ein Federblatt in seiner Längsrichtung
eine große Steifigkeit und in der Richtung seiner kleinsten
Querschnittsdimension, die quer zu seiner Längsrichtung liegt,
eine geringe Steifigkeit. Federn dieser Art erfüllen daher die
obige Bedingung, wobei natürlich ein Federblatt so eingebaut
sein muß, daß seine kleinste Querschnittsdimension in der
Achsrichtung der beiden Schwingungselemente liegt.
Die in den beiden Membranen 22, 24 elastisch gelagerten und
durch die Feder 30 miteinander gekoppelten Schwingungselemente
26, 28 stellen ein einheitliches mechanisches Schwingungsge
bilde dar, das zu Schwingungen angeregt werden kann, die in
Fig. 1 in der Zeichenebene liegen. Jedes Schwingungselement
kann unter Verformung der zugehörigen Membran eine Schwenkbe
wegung um eine Achse ausführen, die in der Ebene der Membran
liegt und in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene steht. Infolge
ihrer großen Steifigkeit in der Richtung der Schwingbewegungen
der beiden Massekörper 32 und 36 erzwingt die Feder 30 eine
stets gleichsinnige und gleichphasige Bewegung der beiden Mas
sekörper und demzufolge exakt gegensinnige Schwingungen der
beiden Schwingungselemente 26 und 28. Die geringe Steifigkeit
der Feder 30 in der Achsrichtung der Schwingungselemente, also
quer zur Richtung der Schwingbewegungen, erlaubt die bei die
sen Schwingbewegungen auftretenden axialen Relativbewegungen
der beiden Massekörper, ohne daß hierdurch axiale Kräfte er
zeugt werden. Außerdem kompensiert die Feder 30 durch ihre ge
ringe Steifigkeit in der Achsrichtung temperaturbedingte Län
genänderungen des rohrförmigen Gehäuses 16.
Die Eigenresonanzfrequenz der Schwingungen des mechanischen
Schwingungsgebildes 20 ist durch die schwingenden Massen und
durch die Rückstellfederkräfte bestimmt. Die schwingenden Mas
sen setzen sich aus den Massen der beiden Massekörper 32, 36
und der beiden Stäbe 34, 38 zusammen. Die Rückstell-Federkräf
te setzen sich aus den Federkräften der beiden Membranen 22,
24 und der Feder 30 zusammen.
Zur Erregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungsge
bildes 20 sind auf der dem Verlängerungsrohr 18 zugewandten
Seite der Membran 24 zwei scheibenförmige piezoelektrische
Wandler 50 und 52 angebracht. Jeder piezoelektrische Wandler
besteht in an sich bekannter Weise aus einer flachen piezo
elektrischen Keramikscheibe, die auf beiden Seiten mit Metall
belägen versehen ist, die als Elektroden dienen. Der eine Me
tallbelag jedes piezoelektrischen Wandlers ist elektrisch lei
tend mit der Membran 24 verbunden, die als Masseanschluß dient.
Die entgegengesetzten Metallbeläge sind über Drähte 54 bzw. 56
mit einer elektrischen Erregungsschaltung verbunden, die in
einem außerhalb des Behälters am Einschraubstück 12 angebrach
ten Gehäuse 58 untergebracht sein kann.
Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der elektrischen Erre
gungsschaltung und ihre Verbindung mit den beiden piezoelek
trischen Wandlern 50 und 52. Der Wandler 50 ist über den Draht
54 mit dem Eingang eines Verstärkers 60 verbunden, an dessen
Ausgang der Wandler 52 über den Draht 56 angeschlossen ist. An
den Ausgang des Verstärkers 60 ist ferner eine Auswerteschal
tung 62 angeschlossen, deren Ausgangssignal ein Relais 64
steuert.
Der piezoelektrische Wandler 50 ist ein Empfangswandler, der
mechanische Verformungen der Membran 24 aufnimmt, wodurch zwi
schen seinen beiden Elektroden eine elektrische Spannung er
zeugt wird, die am Eingang des Verstärkers 60 anliegt. Die vom
Verstärker 60 verstärkte Spannung liegt an dem piezoelektri
schen Wandler 52 an, der dadurch mechanisch verformt wird und
diese Verformungen auf die Membran 24 überträgt. Dadurch wird
zunächst das Schwingungselement 28 zu Schwingungen angeregt,
die jedoch durch die Feder 30 auf das Schwingungselement 26
übertragen werden. Auf diese Weise erregt sich das aus den
Membranen 22, 24 und den beiden Schwingungselementen 26, 28
bestehende mechanische Schwingungsgebilde 20 zu Schwingungen
mit seiner Eigenresonanzfrequenz.
Die Funktion des Füllstandsgrenzschalters beruht darauf, daß
die Schwingungen des mechanischen Schwingungsgebildes durch
das Füllgut beeinflußt werden, wenn dieses den Detektorstab 34
berührt. Die Änderungen der mechanischen Schwingungen werden
in dem vom Wandler 50 abgegebenen elektrischen Signal wieder
gegeben und können daher von der Auswerteschaltung 62 am Aus
gang des Verstärkers 60 festgestellt werden.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausbildung des Füllstands
grenzschalters eignet sich insbesondere für die Feststellung
des Füllstands von festen Füllgütern, die in körnigem oder
pulverförmigem Zustand vorliegen. Wenn ein solches Füllgut den
Detektorstab 34 berührt, werden die mechanischen Schwingungen
gedämpft. Dementsprechend nimmt auch die Amplitude des Aus
gangssignals des Verstärkers 60 ab. Die Auswerteschaltung 62
ist in diesem Fall ein Schwellenwert-Diskriminator, dessen
Ausgangssignal einen ersten Wert hat, wenn die Amplitude sei
nes Eingangssignals über einem vorgegebenen Schwellenwert
liegt, und einen zweiten Wert annimmt, wenn die Amplitude sei
nes Eingangssignals unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß
das Relais 64 beim ersten Wert des Ausgangssignals des Schwel
lenwert-Diskriminators 62 erregt und beim zweiten Wert dieses
Ausgangssignals abgefallen ist. Das Ausgangssignal kann ein
Anzeigegerät steuern, das anzeigt, ob der Füllstand die vorbe
stimmte Höhe erreicht hat oder nicht. Das Ausgangssignal kann
auch Schaltvorgänge auslösen, wie bei dem dargestellten Aus
führungsbeispiel durch das Relais 64 angedeutet ist.
Je nach der Beschaffenheit des Füllguts können die mechani
schen Schwingungen durch das Füllgut so stark gedämpft werden,
daß die Schwingungen ganz abreißen, oder die Schwingungen kön
nen sich mit verringerter Amplitude fortsetzen. Durch geeigne
te Einstellung des Schwellenwerts des Schwellenwert-Diskrimi
nators kann in jedem Fall erreicht werden, daß die beiden
Schwingungszustände eindeutig voneinander unterschieden werden
können.
Aus verschiedenen Gründen ist es erwünscht, einen Füllstands
grenzschalter dieser Art mit möglichst geringer Energie be
treiben zu können und dennoch eine möglichst hohe Empfindlich
keit zu erzielen. Diesem Wunsch steht die Tatsache entgegen,
daß bei einem mechanischen Schwingungsgebilde ein beträchtli
cher Teil der Schwingungsenergie über die Einspannung verlo
rengehen kann. Die Einspannung besteht bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in dem Einschraubstück 12, das den Füll
standsgrenzschalter mit der Behälterwand 14 verbindet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein solcher
Energieverlust über die Einspannung dadurch vermieden, daß das
mechanische Schwingungsgebilde aus zwei Schwingungselementen
26 und 28 besteht, von denen jede über eine eigene Membran 22
bzw. 24 mit dem gleichen rohrförmigen Gehäuse 16 verbunden
ist, das seinerseits über das Verlängerungsrohr 18 von der
Einspannung getragen wird. Jedes Schwingungselement übt über
ihre Membran ein Moment auf das rohrförmige Gehäuse 16 aus. Da
die beiden Schwingungselemente 26, 28 aber infolge der zuvor
geschilderten Wirkung der Feder 30 stets exakt gegensinnig
schwingen, sind diese Momente entgegengesetzt gerichtet, so
daß sie sich gegenseitig aufheben. Es gibt daher kein resul
tierendes Moment, das über das Verlängerungsrohr 18 auf die
Einspannung übertragen werden kann, und demzufolge geht auch
keine Schwingungsenergie infolge von Momenten über die Ein
spannung zur Behälterwand verloren.
Wenn man die Feder 30 entfernt, stellt jedes Schwingungsele
ment 26 und 28 mit der zugehörigen Membran 22 bzw. 24 für sich
ein mechanisch schwingungsfähiges System mit einer bestimmten
Eigenresonanzfrequenz dar. Damit die zuvor erläuterte Kompen
sation der Momente möglichst vollkommen erzielt wird, sind die
Schwingungselemente 26 und 28 so dimensioniert, daß die Mas
sen, die Massenträgheitsmomente und die Eigenresonanzfrequen
zen der beiden Schwingungselemente gleich groß sind.
Es wurde jedoch festgestellt, daß die Kompensation der Momente
für sich allein noch nicht ausreicht, um die Verluste von
Schwingungsenergie über die Einspannung vollständig zu vermei
den. Solche Energieverluste können nämlich auch durch Quer
kräfte verursacht werden, die von den Schwingungselementen bei
ihren Schwingungsbewegungen über die Membranen auf die Ein
spannung übertragen werden, wenn diese Querkräfte nicht gleich
falls vollkommen abgeglichen sind. Um solche Energieverluste
durch unabgeglichene Querkräfte zu vermeiden, ist der Füll
standsgrenzschalter von Fig. 1 zusätzlich so ausgebildet, daß
die von den beiden Schwingungselementen 26 und 28 verursachten
Querkräfte vollkommen abgeglichen sind.
Zu diesem Zweck sind die beiden Schwingungselemente 26 und 28
so ausgebildet, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- 1. Die beiden Massekörper 32 und 36 haben die gleiche axiale Länge;
- 2. die beiden Massekörper 32 und 36 haben die gleiche massive Querschnittsfläche;
- 3. die beiden Stäbe 34 und 38 haben die gleiche axiale Länge;
- 4. die beiden Stäbe 34 und 38 haben die gleiche massive Quer schnittsfläche.
Die ersten beiden Bedingungen sind bei dem Füllstandsgrenz
schalter von Fig. 1 dadurch erfüllt, daß die beiden Massekör
per 32 und 36 völlig gleich ausgebildet sind. Aus Fig. 1 ist
zu erkennen, daß die Länge L M 1 des Massekörpers 32 gleich der
Länge L M 2 des Massekörpers 36 ist, und aus Fig. 2 ist zu er
kennen, daß die beiden Massekörper 32 und 36 eine identische
Querschnittsform und damit auch gleich große massive Quer
schnittsflächen haben.
Ferner ist aus Fig. 1 zu erkennen, daß die Länge L S 1 des
Stabes 34 gleich der Länge L S 2 des Stabes 38 ist. Damit ist
auch die dritte Bedingung erfüllt.
Die vierte Bedingung ließe sich ebenfalls ohne weiteres da
durch erfüllen, daß die Stäbe der beiden Schwingungselemente,
ebenso wie ihre Massekörper, in identischer Weise ausgebildet
würden. Nun ist es aber erwünscht, dem Detektorstab 34 einen
großen Außendurchmesser zu geben, damit seine Schwingungen
beim Eintauchen in das Füllgut möglichst stark gedämpft wer
den, während der Außendurchmesser des Kompensationsstabes 38
aus Platzgründen klein gehalten werden soll. Deshalb ist in
Fig. 1 der Außendurchmesser des Detektorstabs 34 doppelt so
groß wie der Außendurchmesser des Kompensationsstabes 38. Den
noch ist die vierte Bedingung ebenfalls erfüllt, wie aus den
Fig. 4 und 5 erkennbar ist, die die Querschnitte der Stäbe
34 und 38 in vergrößertem Maßstab zeigen. Für die Erfüllung
der vierten Bedingung kommt es nämlich nur darauf an, daß die
"massiven" Querschnittsflächen gleich groß sind, also die in
Fig. 4 und 5 schraffierten Flächen. Während der Stab 38 mas
siv ist, ist der Stab 34 hohl, wobei der Innendurchmesser so
bemessen ist, daß die schraffierte ringförmige "massive" Quer
schnittsfläche in Fig. 4 gleich der Querschnittsfläche des
massiven Stabes 38 von Fig. 5 ist.
Es läßt sich zeigen, daß sich unter diesen Bedingungen die von
den beiden Schwingungselementen 20 und 26 verursachten und
über die Membranen 22 und 24 auf die Einspannung übertragenen
Querkräfte gegenseitig kompensieren, so daß keine Schwingungs
energie infolge dieser Querkräfte verlorengeht.
Infolge der gleichen Längen und gleichen massiven Querschnitts
flächen sind sowohl die Massen der beiden Massekörper 32 und
36 als auch die Massen der beiden Stäbe 34 und 38 gleich groß,
und die Schwerpunkte dieser Massen liegen symmetrisch zueinan
der. Daher lassen sich auch die Bedingungen für die Kompensa
tion der Momente ohne weiteres erfüllen.
Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Füllstands
grenzschalters von Fig. 1, die insbesondere zur Feststellung
des Füllstandes von Flüssigkeiten geeignet ist. Der mechani
sche Aufbau des Füllstandsgrenzschalters von Fig. 6 unter
scheidet sich von demjenigen des Füllstandsgrenzschalters von
Fig. 1 in erster Linie hinsichtlich der Ausbildung des De
tektorstabes 70: dieser ist mit zusätzlichen seitlichen Flos
sen 71, 72 versehen, so daß er die Form eines Paddels hat. Die
Flossen 71 und 72 sind aus flachen Platten gebildet und liegen
parallel zur Schwingungsrichtung des Detektorstabs 70. Durch
die Anordnung der Flossen 71 und 72 vergrößert sich die mas
sive Querschnittsfläche des Detektorstabes 70 gegenüber der
jenigen des Detektorstabes 34 von Fig. 1 erheblich. Damit die
zuvor angegebenen Bedingungen für die Kompensation der Momente
und Querkräfte auch bei der Ausführungsform von Fig. 6 einge
halten werden, sind auch die massiven Querschnittsflächen des
Kompensationsstabes 73 sowie der Massekörper 74 und 75 ent
sprechend vergrößert.
Die Funktion des Füllstandsgrenzschalters von Fig. 6 beruht
darauf, daß zur Feststellung des Füllstands von flüssigen
Füllgütern beim Eintauchen des Detektorstabs in die Flüssig
keit nicht die Dämpfung der mechanischen Schwingungen, sondern
die Änderung der Schwingungsfrequenz zur Feststellung des
Füllstands ausgenutzt wird. Diese Frequenzänderung beruht dar
auf, daß sich die schwingende Masse vergrößert, weil der De
tektorstab den angrenzenden Teil der Flüssigkeit mitnimmt. Da
durch wird die Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Schwin
gungssystems niedriger. Die Flossen 71 und 72 bieten eine grö
ßere Mitnahmefläche als der runde Detektorstab von Fig. 1, so
daß eine größere zusätzliche Flüssigkeitsmasse mitgenommen
wird. Dementsprechend verringert sich die Eigenresonanzfre
quenz um einen größeren Betrag.
Damit die Frequenzänderung als Kennzeichen für das Erreichen
des Füllstands ausgewertet werden kann, muß in der zugehörigen
elektronischen Schaltung, die wieder dem Schaltbild von Fig.
3 entsprechen kann, die Auswerteschaltung 62 ein Frequenz-
Diskriminator sein, der feststellt, ob die Frequenz des Aus
gangssignals des Verstärkers 60 über oder unter einer Refe
renzfrequenz liegt. Das Ausgangssignal des Frequenz-Diskrimi
nators nimmt den einen oder den anderen von zwei Werten an, je
nachdem, ob die Frequenz seines Eingangssignals über oder un
ter der Referenzfrequenz liegt. Die beiden Werte des Ausgangs
signals des Frequenz-Diskriminators können dann in der zuvor
beschriebenen Weise zur Anzeige des Füllstands und/oder zur
Auslösung von Schaltvorgängen benutzt werden.
Alle bereits in Fig. 1 vorhandenen Bestandteile des Füll
standsgrenzschalters von Fig. 6 sind mit den gleichen Bezugs
zeichen wie in Fig. 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal
beschrieben.
In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform des Füllstands
grenzschalters dargestellt, die sich von der Ausführungsform
von Fig. 1 nur durch die Ausbildung der Massekörper der bei
den Schwingungselemente und der die Massekörper verbindenden
Feder unterscheidet. Die übrigen Teile der Ausführungsform von
Fig. 7, die mit denjenigen von Fig. 1 identisch sind, sind
in Fig. 7 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 be
zeichnet und werden nicht nochmals beschrieben.
Zum Unterschied gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 sind
in Fig. 4 die Massekörper 80, 81 der beiden Schwingungsele
mente 26 und 28 gleichachsig zueinander angeordnete zylindri
sche Körper, deren einander zugewandte radiale Stirnflächen
sich in geringem axialen Abstand gegenüberliegen. Die Masse
körper 80 und 81 sind an diesen Stirnflächen mit einander ge
genüberliegenden Ausschnitten 82 und 83 versehen, in denen die
die Massekörper verbindende Feder 85 angeordnet ist. Die Feder
85 hat bei dieser Ausführungsform ein U-Profil mit parallelen,
elastischen Schenkeln, die am einen Ende durch einen verhält
nismäßig massiven Steg miteinander verbunden sind. Die anderen
Enden der Schenkel sind nach außen abgewinkelt und durch
Schrauben 86, 87 mit den Massekörpern 80 bzw. 81 verbunden.
Die auf diese Weise gebildete Feder 85 hat senkrecht zur Achs
richtung der Schwingungselemente 26 und 28 eine große Steifig
keit und parallel zur Achsrichtung der beiden Schwingungsele
mente 26 und 28 eine geringe Steifigkeit. Sie erfüllt damit
die gleiche Funktion wie die Feder 30 von Fig. 1.
Ferner ist aus Fig. 7 zu erkennen, daß die axiale Lange L M 1
des Massekörpers 80 gleich der axialen Länge L M 2 des Massekör
pers 81 ist. Da die beiden Massekörper 80 und 81 völlig gleich
ausgebildet sind, haben sie auch gleich große massive Quer
schnittsflächen. Die Stäbe 34 und 38 sind gegenüber der Aus
führungsform von Fig. 1 unverändert, so daß sowohl ihre Län
gen L S 1, L S 2 als auch ihre massiven Querschnittsflächen gleich
groß sind.
Schließlich ist in Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des
Füllstandsgrenzschalters dargestellt, die sich von den Ausfuh
rungsformen von Fig. 1 und 7 wiederum nur durch die Ausbil
dung der Massekörper und der die Massekörper verbindenden Fe
der unterscheidet. Die übrigen Teile der Ausführungsform von
Fig. 8 sind daher wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie
in Fig. 1 und 7 bezeichnet und werden nicht nochmals be
schrieben.
Wie bei der Ausführungsform von Fig. 7 sind in Fig. 8 die
Massekörper 90, 91 der beiden Schwingungselemente 26 und 28
gleichachsig zueinander angeordnete zylindrische Körper, die
jedoch zusammen mit der Feder in einem Stück aus einem zu
nächst massiven Metallzylinder dadurch hergestellt worden
sind, daß in der senkrecht zur Achse stehenden Mittelebene des
Metallzylinders von der einen Seite her ein Schlitz 93 einge
fräst worden ist. Der Schlitz 93 erstreckt sich über mehr als
die Hälfte des Durchmessers des Metallzylinders, und seine
Seitenflächen bilden die einander zugewandten Stirnflächen der
beiden Massekörper, die sich in geringem Abstand parallel ge
genüberliegen. Der nicht durch den Schlitz 93 getrennte Teil
des Metallzylinders, der die beiden Massekörper 90 und 91 ver
bindet, bildet die Feder 95, die wieder eine große Steifigkeit
senkrecht zur Achsrichtung der Schwingungselemente 26, 28 und
eine geringe Steifigkeit in der Achsrichtung der Schwingungs
elemente hat.
Da die beiden Massekörper 90 und 91 aus einem gemeinsamen
Metallzylinder gebildet sind, haben sie natürlich gleich große
massive Querschnittsflächen, und ihre axialen Längen L M 1, L M 2
sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, gleich groß. Die Stäbe
34 und 38 sind wieder gegenüber den Ausführungsformen von Fi
gur 1 und 7 unverändert, so daß sowohl ihre Längen L S 1, L S 2
als auch ihre masiven Querschnittsflächen gleich groß sind.
Natürlich können auch bei den Ausführungsformen von Fig. 7
und 8 am Detektorstab 34 Flossen 71, 72 der in Fig. 6 darge
stellten Art angebracht werden, wenn diese Füllstandsgrenz
schalter zur Feststellung des Füllstands von Flüssigkeiten
verwendet werden sollen, wobei dann natürlich die Dimensionie
rung der Massekörper und des Kompensationsstabes entsprechend
gewählt werden muß.
Weitere Abänderungen der beschriebenen Füllstandsgrenzschalter
sind für den Fachmann offensichtlich. So können die Massekör
per sowie das sie aufnehmende Gehäuse auch einen anderen als
einen kreisförmigen Umriß haben, beispielsweise einen quadra
tischen Umriß.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines be
stimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem mechanischen
Schwingungsgebilde, das aus zwei im Abstand zueinander ange
ordneten Schwingungselementen besteht, von denen jedes im Zen
trum einer von zwei parallel im Abstand voneinander angeordne
ten, als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet ist und aus
zwei zu beiden Seiten der zugehörigen Membran liegenden Teilen
besteht, die so ausgebildet sind, daß der Schwerpunkt jedes
Schwingungselements in der Ebene der zugehörigen Membran liegt,
wobei die im Zwischenraum zwischen den beiden Membranen lie
genden Teile der beiden Schwingungselemente Massekörper sind
und der auf der anderen Seite der Membran liegende Teil des
ersten Schwingungselements ein Stab ist, der als Detektorstab
mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn dieses den zu über
wachenden Füllstand erreicht, mit einem Schwingungserreger,
der die beiden Schwingungselemente in gegensinnige Schwingun
gen um die in den Ebenen der Membranen liegenden Drehachsen
versetzt, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige-
und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude
oder der Frequenz der Schwingungen, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Schwingungselemente an den einander zugewandten
Seiten der beiden Massekörper durch eine Feder gekoppelt sind,
die senkrecht zur Achsrichtung der Schwingungselemente eine
große Steifigkeit und parallel zur Achsrichtung der Schwin
gungselemente eine geringe Steifigkeit aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schwingungserreger nur auf eines der beiden Schwingungs
elemente einwirkt, dessen Schwingungen durch die Feder auf das
andere Schwingungselement übertragen werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Massekörper die gleiche axiale Länge und die
gleiche massive Querschnittsfläche haben und daß der auf der
anderen Seite der Membran liegende Teil des zweiten Schwin
gungselements ein Stab ist, der die gleiche Länge und die
gleiche massive Querschnittsfläche wie der Stab des ersten
Schwingungselementes hat.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden Massekörper mit gegenseitiger
axialer Überlappung symmetrisch zueinander zu beiden Seiten
der Achse der Schwingungselemente angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Massekörper mit einander gegenüberliegenden Aus
schnitten versehen sind, in denen die die Massekörper verbin
dende Feder angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feder ein stab- oder blattförmiges elastisches Teil
ist, das in seiner Längsrichtung eine große und quer zu seiner
Längsrichtung eine geringe Steifigkeit hat und das quer zur
Achsrichtung der Schwingungselemente angeordnet und an jedem
Ende mit einem der Massekörper verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden Massekörper gleichachsig zueinan
der mit axialem Abstand zwischen den einander zugewandten
Stirnflächen angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Massekörper an den einander zugewandten Stirnflä
chen mit Ausschnitten versehen sind, in denen die die Masse
körper verbindende Feder angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Feder ein U-förmiges Teil mit zwei elastischen Schenkeln
ist, die in ihrer Längsrichtung eine große und quer zu ihrer
Längsrichtung eine geringe Steifigkeit haben, daß die Feder so
angeordnet ist, daß die Schenkel quer zur Achsrichtung der
Schwingungselemente liegen, und daß die Schenkel an ihren
freien Enden jeweils mit einem der beiden Massekörper verbun
den sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Massekörper und die sie verbindende Feder aus einem
massiven Metallblock durch einen sich über mehr als die Hälfte
des Querschnitts des Metallblocks erstreckenden, senkrecht zur
Achse des Metallblocks in dessen Mittelebene eingeschnittenen
Schlitz gebildet sind.
Priority Applications (1)
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