DE3215040A1

DE3215040A1 - Resonanzstab

Info

Publication number: DE3215040A1
Application number: DE19823215040
Authority: DE
Inventors: Karl 7622 Schiltach Benz; Gerhard 7620 Wolfach Huber
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1983-11-03
Also published as: JPS58190723A; DE3215040C2; US4594891A

Description

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STRASSB & STOFFRBGEN

Patentanwälte · European Patent Attorneys

Dipl.-Ing. Joachim Strasee, München · Dipl.-Phye. Dr. Hans-Herbert Stoffregen, Hanau Zweibrüokenstrnße IB · D-8OOO München 2 (Gegenüber dem Patentamt) · Telefon (089) 22 25 θβ · Telex B 22 084

■'··:::-A Grieshaber GmbH & Co. München, 22. April 1982 7622 Schiltach pu-ks 12 395

"Resonanzstab"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter.

Es ist beispielsweise aus der GB-PS 1 013 186 eine derartige Vorrichtung bekannt, bei der ein durch einen elektromechanischen Wandler zu Schwingungen angeregtes Schwingungselement in einen Behälter hineinragt. Ein weiterer elektromechanischer Wandler gibt in Reaktion auf die Schwingungen ein elektrisches Signal ab. Bei Berührung des Schwingungselementes mit dem Füllgut wird die Schwingung gedämpft, wodurch sich die Amplitude des elektrischen Signals ändert. Die Amplitudenänderung wird in einer geeigneten Nachweisschaltung zur Füllstandsanzeige umgeformt.

Bei dieser bekannten Füllstands-Meßvorrichtung übt jedoch das als einzelner Schwingstab ausgebildete Schwingungselement beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung und damit auf die Behälterwandung aus, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab auf die Behälterwandung übertragen wird. Die LeerlaufVerluste des Schwingungsgebildes sind dementsprechend groß und das Schwingungsantriebssystem muß daher leistungsstark ausgelegt sein, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten. Das führt dazu, daß die Dämpfung, die beim Eintauchen des Schwingelementes in leichtere Schüttgüter von letzterem auf das Schwingelement ausgeübt wird, nicht ausreicht, um eine meßtechni-

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Ol sehe Auswertbarkeit der Schwingamplitudenreduzierung zu erzielen. Eine ähnliche Vorrichtung, die denselben Beschränkungen unterliegt, ist aus der DE-PS 582 760 bekannt .

Sollen nahezu beliebige Füllgüter festgestellt und soll die Nachweisempfindlichkeit von den Einspannverhältnissen des Schwingungselementes annähernd unabhängig sein, so sind erhöhte Aufwendungen erforderlich, wie beispielsweise bei der in der DE-OS 30 11 603 beschriebenen Vorrichtung derselben Anmelderin, bei der zwei speziell angeordnete und ausgebildete Schwingungselemente verwendet werden. Für die Herstellung sind Abstimmarbeiten erforderlich. Wenngleich diese bekannte Vorrichtung vorzüglich arbeitet, ist doch eine Verringerung des erforderlichen Aufwandes erstrebenswert.

Die Erfindung steht daher unter der Aufgabe eine Füllstands-Meßvorrichtung bereitzustellen, die die bisher nach dem Stand der Technik vorliegenden Beschränkungen überwindet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Schwingungselement einen Hohlkörper umfaßt, in dessen Hohlraum ein zumindest an zwei Befestigungspunkten der Innenwände des Hohlraumes befestigtes Querglied angeordnet ist, auf dem der erste elektromechanische Wandler befestigt ist, wobei das Querglied durch den Wandler in auf die Befestigungspunkte gerichtete Schwingungen versetzbar ist.

Aus der technischen Lehre gemäß der Erfindung resultiert eine überraschend einfache Vorrichtung, die aufgrund ihrer Einfachheit und Symmetrie nicht gesondert abgestimmt werden muß. Das gesamte Schwingungselement ist äußerst robust und kann daher unter erschwerten Bedingungen einge-

Ol setzt werden. Es ist weiterhin von großem Vorteil, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung des die Schwingung erregenden ersten elektromechanischen Wandlers auf dem Querglied, das geschützt in dem Hohlraum des Schwingungselementes liegt, eine mechanische Zerstörung dieses Wandlers nahezu unmöglich ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schwingt das Schwingungselement in seiner Resonanzfrequenz. Hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, daß aufgrund der einfachen geometrischen Form des Schwingungselementes Toleranzen der Resonanzfrequenz von nur wenigen 100 Hz, bei einer Resonanzfrequenz zwischen 20 und 30 kHz, auftreten. Daher können von vornherein die den ersten elektromagnetischen Wandler erregende Schaltung und die Nachweisschaltung auf einen festen Wert der Resonanzfrequenz innerhalb eines Toleranzbereiches von wenigen kHz festgelegt werden, ohne daß Abstimmvorrichtungen oder -arbeiten erforderlich sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlkörper als zylindrischer Körper ausgebildet. Es können also Rohrabschnitte in Standardabmessungen Verwendung finden.

In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der zylindrische Körper an einem oder an beiden Enden abgeschlossen ausgeführt. Hierdurch geraten die Wandler nicht in Kontakt mit dem Füllgut und sind dadurch auf optimale Weise geschützt.

Die Anbringung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung erfolgt in einer vorteilhaften Ausführungsform durch Einschrauben oder eine Flanschbefestigung an die Innenseite des Behälters, in dem der Füllstand gemessen werden soll. In diesem Fall wird vorteilhafterweise die Ausführungs-

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Ol from mit einem Schaftteil an einem Ende verwendet, wobei der Schaftteil zur lösbaren Befestigung entsprechend ausgebildet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Meßvorrichtung nicht in dem Behälter befestigt, sondern ist über ein Kabel oder Seil auf in der Füllstandsmeßtechnik übliche Weise in den Behälter absenkbar. Eine Kontrolle der Meßvorrichtung oder deren Reinigung ist bei dieser Ausführungsform besonders einfach möglich. Ist der Hohlkörper zylindrisch, so wird vorteilhafterweise seine Längsachse senkrecht orientiert angeordnet und sein unteres Ende durch einen Deckel abgeschlossen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Querglied als Kreisscheibe ausgebildet, die über ihren Umfang mit der Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers verbunden ist. Diese hochsymmetrische Anordnung ist mechanisch äußerst stabil und hat als weiteren Vorteil, daß zumindest der erste elektromechanische Wandler auf einfache Weise auf der Scheibe befestigt werden kann, die dann nur noch in den zylindrischen Körper geschoben und mit diesem verbunden werden muß. Die Fertigung erfordert in diesem Fall besonders wenig Aufwand.

Dieser Vorteil kommt in noch höherem Maße bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zum Tragen, bei der der zweite elektromagnetische Wandler ebenfalls an dem Querglied befestigt ist.

In beiden in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen sind der die Schwingung erregende Wandler und der die Schwingung nachweisende Wandler auf unterschiedlichen, also gegenüberliegenden Seiten des Quergliedes bzw. ange-

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Ol bracht. Ebenso kann jedoch der zweite Wandler auf derselben Seite angebracht sein wie der erste Wandler, je nach Abmessungen und/oder Einsatzzweck. Prinzipiell ist es sogar möglich, den zweiten Wandler an nahezu beliebiger Stelle, beispielsweise innen an dem Hohlkörper oder auf dem Deckel, zu befestigen.

Aus der voranstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen wird insbesondere der einfache hochsymmetrische Aufbau deutlich, wie er sich gemäß der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung ergibt. Damit wird eine Füllstands-Meßvorrichtung zur Verfügung gestellt, die kostengünstig zu fertigen und sowohl robust im Einsatz als auch von hoher Nachweisempfindlichkeit ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlkörper einen ovalen Querschnitt auf, das Querglied ist in diesem Fall als sich längs der kurzen Querachse des Ovals erstreckender Steg ausgebildet. Die schlanke Bauform eignet sich besonders für einen Einbau, bei dem die große Querachse des Ovals lotrecht angeordnet wird. Das heißt, obwohl die dem Füllgut zum Dämpfungsangriff dargebotene Fläche parallel zur großen Querachse des Ovals größer als im Falle eines kreisförmigen Schwingelementes ist, kann rechtwinkelig zur Querachse in Folge der geringeren projizierten Fläche kaum Füllgut auf dem Schwingelement liegen bleiben. Zudem erhöht sich die Steifigkeit des Schwingelementes in Richtung des auf das Schwingelement fallenden Schüttgutes. Auch bei dieser Ausführungsform sind ähnliche Abänderungen wie bei der zylindrischen Ausführungsform möglich, die in weiteren Unteransprüchen entsprechend ausgeführt sind.

Ol In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine noch weitergehende Vereinfachung dadurch erzielt, daß der erste und/oder zweite elektromechanische Wandler als Querglied ausgebildet ist. Es sind beispielsweise scheibenförmige piezoelektrische Wandler mit einem Mittenloch kommerziell erhältlich. Derartige scheibenförmige Wandler können direkt an ihrem Umfang durch Kleben in dem Hohlkörper befestigt werden. Durch das mittig angeordnete Loch können Zuleitungsdrähte geführt werden. Eine solche Ausführungsform besteht nur noch aus wenigen Teilen und ist daher besonders kostengünstig zu fertigen und noch weniger störanfällig.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder zweite elektromechanische Wandler ein piezoelektrischer Wandler. Solche Wandler sind in einer Vielzahl von Formen und Abmessungen erhältlich, wodurch eine einfache Anpassung an den jeweils erwünschten Einsatzzweck erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus denen sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem zylindrischen und

Fig. 2 eine zweite Aus führungs form der Erfindung mit einem ovalen Hohlkörper; bei Fig. 2 zusätzlich noch ein Schnitt durch den ovalen Hohlkörper entlang der Linie II-II.

In Fig. 1 ist schematisch ein Teil einer Behälterwandung 10 dargestellt, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung

Ol lösbar über einen Einschraubteil 12 befestigt ist. In den Innenraum des Behälters ragt ein mit dem Einschraubteil 12 verbundener Schaftteil 14, an dem ein zylindrischer Hohlkörper 16 von gleichem oder anderem Durchmesser wie dem des Schaftteils 14 befestigt ist. Der zylindrische Hohlkörper 16 ist mit einem an seinem dem Schaftteil 14 gegenüberliegenden Ende angebrachten Deckel 18 gegenüber dem Behälterinneren und damit dem Füllgut abgeschlossen. Im Inneren des zylindrischen Körpers 16 ist ein als Scheibe ausgebildetes Querglied 20 angebracht, dessen Flächennormale parallel zur Längsachse des zylindrischen Körpers 16 orientiert ist und das über seinen Umfang, wie hier an zwei Schnittpunkten 22 und 24 verdeutlicht, mit dem zylindrischen Körper 16 verbunden ist.

Auf einer der Oberflächen der Scheibe 20 ist ein erster elektromechanischer Wandler 26 auf übliche Weise, beispielsweise durch einen geeigneten Kleber, angebracht. Von dem Wandler 26 erstreckt sich ein Leitungsstrang 27 zentrisch durch den Schaftteil 14 und den Einschraubteil 12 nach außen, wo er mit einer nicht näher dargestellten geeigneten Schaltung verbunden ist, die auf übliche Weise die Schwingungsenergie für den Wandler 26 liefert. Auf der anderen Oberfläche der Scheibe 20 ist ein zweiter elektromechanischer Wandler 28 auf gleiche oder ähnliche Weise wie der Wandler 26 befestigt. Auf gleiche Weise wie die Leitung 27 geht vom Wandler 28 eine Leitung 29 nach außen, die zu einer nicht näher dargestellten Nachweisschaltung führt.

Wird nun der Wandler 26 durch Schwingungsenergie zu mechanischen Schwingungen angeregt, so versetzt er die mit ihm festverbundene Scheibe 20 in radiale Schwingungen, die sich über die Befestigungsstellen 22,24 auf den zylindrisehen Körper 16 übertragen und eine pulsierende Bewegung

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Oi des zylindrischen Körpers in radialer Richtung bewirken.

Diese Schwingung der Außenwand des zylindrischen Körpers 16 wird bei Berührung des zylindrischen Körpers 16 mit dem Füllgut gedämpft. Der zweite elektromechanische Wandler 28 gibt ein elektrisches Signal derselben Frequenz ab, mit der die Wand des zylindrischen Körpers 16 schwingt. Die Amplitude dieses elektrischen Signals ist von der Schwingungsamplitude des zylindrischen Körpers 16 abhängig, bei Dämpfung der Schwingung ändert sich daher die Amplitude des von dem Wandler 28 abgegebenen elektrischen Signals. Die Amplitude des elektrischen Signals wird über die Leitung 29 von einer geeigneten Nachweisschaltung überwacht, in der üblicherweise bei Über- oder Unterschreitung eines bestimmten Schwellenwertes eine Signalfunktion erzeugt wird, die anzeigt, ob ein Kontakt der Füllstands-Meßvorrichtung mit dem Füllgut vorliegt oder nicht.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Einschraubteil 12 und einen direkt daran anschließenden Hohlkörper 34 auf, wobei zur Verdeutlichung des wesentlichen Kerns im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kein Schaftteil 14 zwischen Einschraubteil und Hohlkörper 34 vorgesehen ist. Der Schaftteil 14 könnte aber auch in der Ausführungsform der Fig. 2 eingefügt oder je nach Erfordernis auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weggelassen werden.

Der ovale Querschnitt des Hohlkörpers 34 gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 wird besonders aus der Schnittzeichnung entlang den Linien II-II in dieser Figur deutlich. Der Hohlkörper 34 ist gegenüber dem Behälterinneren durch einen Deckel 32 abgeschlossen. Für diesen Deckel gilt das bereits im Zusammenhang mit dem Deckel 18 der bereits

Ol beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung gesagte .

Das Querglied 30 ist bei dieser ovalen Ausführungsform als Steg ausgebildet. Auf jeder Seite des Steges sind jeweils ein elektromechanischer Wandler 26 und ein elektromechanischer Wandler 28 angebracht. Erhält der elektromechanische Wandler 26 über die Leitung 27 geeignet Energie zugeführt, so versetzt er den mit ihm befestigten Quersteg 30 in Schwingungen in Richtung der Befestigungspunkte 22 und 24. Diese Schwingungen verursachen Schwingungen der Außenwand 34, die am stärksten in der durch die Befestigungsstellen 22 und 24 gege benen Richtung sind. Diese Schwingungen werden auf bereits beschriebene Weise von dem Wandler 28 in elektrische Signale umgeformt und über die Leitung 29 an die Nachweisschaltung gegeben.

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Claims

STRASSB & STOFFRBGBN

Patentanwälte · European Patent Attorneys

Dipl.-Ingr. Joachim Strnsse, München . Dipl.-Phye. Dr. Hans-Herbert Stoffregen, Hanau ZwelbrückoiiBtrnße 15 · D-8OOO München 2 {Gegenüber dem Patentamt) ■ Telefon (089) 22 20 θβ ■ Telex 6 22 004

VEGA Grieshaber GmbH & Co. München, 22. April 1982 Schiltach pu-ks 12 395

"Resonanzstab"

Patentansprüche

, l.^s Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füll-Standes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem durch einen ersten elektromechanischen Wandler zu Schwingungen angeregten Schwingungselement, dessen Schwingungen von einem zweiten elektromechanischen Wandler in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, dessen Änderung bei Dämpfung des Schwingungselementes durch das Füllgut mittels einer Nachweisschaltung zu einer Füllstandsanzeige weiter verarbeitbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schwingungselement (16,20,30,34) einen Hohlkörper (16,34) umfaßt, in dessen Hohlraum ein zumindest an zwei Befestigungspunkten (22,24) der Innenwände des Hohlraumes befestigtes Querglied (20,30) angeordnet ist, auf dem der erste elektromechanische Wandler (26) befestigt ist, wobei das Querglied (20,30) durch den Wandler (26) in auf die Befestigungspunkte (22,24) gerichtete Schwingungen versetzbar ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schwingung die Resonanzschwingung des Schwingungselementes ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,

3 k! Ί b U 4 U

Ol dadurch gekennzeichnet,

daß der Hohlkörper als zylindrischer Hohlkörper (16) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zylindrische Hohlkörper (16) an seinem einen Ende durch einen Deckel (18) abgeschlossen ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,
daß der zylindrische Hohlkörper (16) an seinem anderen Ende durch einen Schaftteil (14) abgeschlossen ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Querglied (20) als mit ihrer Flächennormale parallel zur Längsachse des zylindrischen Körpers (16) orientierte, am Umfang an der Innenseite des Hohlkörpers (16) befestigte Kreisscheibe (20) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Hohlkörper (34) einen ovalen Querschnitt aufweist und das Querglied (30) als sich längs einer kurzen Querachse des Ovals erstreckender Steg ausgebildet ist.
8. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite elektromagnetische Wandler (28) ebenfalls an dem Querglied (20,30) befestigt ist.

Ol
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromagnetische Wandler (28) auf derselben Seite des Quergliedes (20,30) befestigt ist wie der erste elektromagnetische Wandler (26).
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromagnetische Wandler (28) auf der anderen Seite des Quergliedes (20,30) befestigt ist wie der erste elektromagnetische Wandler (26).
11. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (16,34) über einen Einschraubteil (12) mit einer Wand (10) des Behälters lösbar verbindbar ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hohlkörper (16,34) und dem Einschraubteil (12) ein Schaftteil (14) angeordnet ist.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektromechanische Wandler (26) als

Querglied (20,30) ausgebildet ist. 30
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektromechanische Wandler (28) als Querglied (20,30) ausgebildet ist.

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Ol
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Querglied (20,30) etwa in der Mitte der Längserstreckung des Hohlkörpers (16,34) angeordnet ist.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite elektromechanische Wandler (28) an einer beliebigen Stelle des Schwingelementes (16,20,30,34) angeordnet ist.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,
daß der erste elektromechanische Wandler (26) und/oder der zweite elektromechanische Wandler (28) ein piezoelektrischer Wandler sind.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlkörper (16,34) in dem Behälter angebracht ist.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Hohlkörper (16,34) über ein Kabel oder Seil in den Behälter absenkbar angeordnet ist.