DE8601452U1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter - Google Patents

Description

PRINZ, LEISER,.BUNKE. & PARTNER

Patentanwälte · ^urpp'ean &iacgr; Patent, Atto.r/ieys, · Emsbergerstraße 19 - 8000 München 60

22. Januar 1986

Endress u. Hauser GmbH u. Co.

Hauptstraße 1

7864 Maulburg

Unser Zeichen: E 1336

Vorrichtung zur Feststellung und/oder überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter, mit zwei Schwingstäben, die im Abstand voneinander jeweils an einem Ende starr mit einer am Rand eingespannten Membran verbunden sind, einer Erregungsanordnung, die die Schwingstäbe in Eigenresonanz in transversale Schwingungen versetzt, und mit einer Auswerteschaltung zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude der Schwingstäbe.

Bei einer aus der DE-PS 17 73 815 bekannten Vorrichtung dieser Art sind die beiden Schwingstäbe an der dem Eüllgut zugewandten Seite der Membran angebracht, so daß sie von dem Füllgut bedeckt werden, wenn der Füllstand im Behälter die Einbauhöhe der Vorrichtung erreicht. Das Füllgut dämpft dann unmittelbar die Schwingungen der beiden

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Schwingstäbe, so daß die Schwingungsamplitude kleiner wird und sogar zu Null werden kann. Gegenüber anderen bekannten Vorrichtungen, die nur einen einzigen Schwingstab enthalten, ergibt die Verwendung von zwei gegensinnig schwingenden Schwingstäben ein vollkommen symmetrisches Schwingungssystem, bei dem sich die von den Schwingstäben erzeugten Kräfte und Drehmomente gegenseitig aufheben, so daß keine Kräfte und Drehmomente auf die Membraneinspannung ausgeübt werden und auch keine Verlustenergie über die Membraneinspannung und die Behälterwand abfließt. Ein solches Schwingsystem kann daher mit geringer Energie angeregt werden und ist sehr empfindlich, so daß die Vorrichtung auch zur Detektion des Füllstands von sehr leichten, nur schwach dämpfenden Füllgütern geeignet ist. Auf der anderen Seite besteht aber das Problem, daß sich zwischen den beiden Schwingstäben ein Ansatz von Füllgut bilden kann, der die Schwingungen auch dann dämpft, wenn die Schwingstäbe nicht mehr in das Füllgut eintauchen. Dadurch kann ein falscher Füllstand angezeigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, die bei guter Entlastung der Membraneinspannung eine große Empfindlichkeit aufweist, mit geringem Energieaufwand betrieben werde.t kann und weitgehend unempfindlich gegen Ansatzbildung ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schwingstäbe auf der dem Füllgut abgewandten Seite der Membran angeordnet sind, daß an der dem Füllgut zugewandten Seite der Membran ein Detektor&tab am einen Ende starr mit der Membran verbunden ist, und daß die Eigenresonanzfrequenz des vom Detektorstab und der Membran gebildeten Schwingsystem größer als die Eigenresonanzfrequenz des von den Schwingstäben und der Membran gebildeten Schwingsystems ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorriehtung bilden die beiden mit der Membran verbundenen Schwingstäbe ein symmetrisches Senwingungagebilde der an sieh bekannten Art, das im wesentlichen das Schwingungsverhalten des gesamten Schwingungssystems bestimmt. Dieses Schwingverhalten wird durch den Detektorstab nicht wesentlich beeinflußt/ weil dieser nicht in seiner Eigenresonanz betrieben wird, sondern lediglich durch die Membranbeulungen in eine erzwungene Schwingbewegung versetzt wird. Das Schwingsystem weist daher im wesentlichen alle Vorteile der bekannten symmetrischen Schwingsysteme auf: die von den beiden Schwingstäben erzeugten Kräfte und Drehmomente heben sich gegenseitig auf, so daß die Membraneinspannung entlastet ist und keine Verlustenergie über die Einspannung und die Behälterwand abfließt. Die vom Detektorstab erzeugten Kräfte und Drehmomente sowie der dadurch verursachte Energieverlust sind vernachlässigbar. Die das Sch^ingverhalten bestimmenden Schwingstäbe kommen jedoch nicht mit dem Füllgut in Berührung, so daß keine Gefahr eines Materialansatzes zwischen den Schwingstäben besteht. Die Füllstandsdetektion erfolgt ausschließlich durch den Detektorstab, dessen erzwungene Schwingbewegung bei Bedeckung durch das Füllgut gedämpft wird, wodurch dem Schwingsystem Energie entzogen wird, was zur Verringerung der Schwingungsamplitude führt. Das Schwingsystem ist unempfindlich gegen Ansatzbildung, weil ein Ansatz am Detektorstab das Schwin-jverhalten des Schwingsystems nicht beeinträchtigen kann«

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 zeigts

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 1 nach der Schnittlinie A-B von Fig. 1,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Erregungsanordnung und der Auswerteschaltung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der-, Funktionsweise des Schwingungsgebildes,

Fig. 5 einen axialen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 6 einen axialen Längsschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 5 nach der Schnittlinie C-D von Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 5 und 6 und

Fig. 8 eine schematische Darstellung des mechanischen Schwingungsgebildes bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

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Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung hat ein als Einschraubstück ausgebildetes rohrförmiges Gehäuse 10, das mittels eines Außengewindes 11 in eine Gewindeöffnung einer Wand 12 des Behälters eingeschraubt ist, in weichem sich das Füllgut befindet, dessen Füllstand durch die Vorrichtung festgestellt werden soll. Die Einbaulage der Vorrichtung ist beliebig. Sie kann vertikal in eine obere Abschlußwand des Behälters eingebaut sein, wie in der Zeichnung dargestellt ist, wenn der zu erfassende Füllstand ein oberster Füllstand ist; sie kann aber auch horizontal in eine Seitenwand des Behälters auf der Höhe jedes beliebigen zu erfassenden Füllstandes eingebaut werden.

Das in das Innere des Behälters ragende Ende des rohrförmigen Gehäuses 10 ist durch eine Membran 13 dicht verschlossen. Die Membran 13 kann aus dem gleichen Werkstoff wie das Gehäuse 10 bestehen, beispielsweise aus Stahl, und in einem Stück mit dem Gehäuse 10 gefertigt sein.

Im Innern des rohrförmigen Gehäuses 10 sind zwei Schwingstäbe 14 und 15 im wesentlichen parallel im Abstand voneinander angeordnet. Die Schwingstäbe 14, 15 sind mit ihren inneren Enden auf der dem Füllgut abgewandten Seite starr mit der Membran 13 verbunden, während die entgegengesetzten Enden frei sind. Die Schwingstäbe haben die Form von flachen Platten, wobei die Breite der zueinander parallelen Seiten wesentlich größer ist als die dazu senkrechte Dicke, so daß die Schwingstäbe bevorzugt Biegeschwingungen in der gemeinsamen Ebene ausführen können, die der Zeichenebene von Fig. 1 entspricht. Die mit der Membran 13 verbundenen Endabschnitte der Schwingstäbe sind zur Schaffung einer ausreichend festen und steifen Verbindung mit der Membran etwas dicker ausgebildet und beispielsweise an der Membran angeschweißt.

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An der entgegengesetzten, dem Füllgut zugewandten Seite der Membran 13 ist ein Detektorstab 16 in Verlängerung des Schwingstabs 14 angeordnet und an seinem einen Ende starr mit der Membran 13 verbunden. Der Detektorstab 16 ist durch ein Hohlrohr gebildet und an dem der Membran 13 angewandten freien Ende durch eine kreisrunde Scheibe 17 verschlossen.

Zwischen den beiden Schwingstäben 14 und 15 sind auf der dem Füllgut abgewandten Seite der Membran 13 zwei scheibenförmige piezoelektrische Wandler 20 und 21 angebracht. Jeder piezoelektrische Wandler besteht in an sich bekannter Weise aus einer flachen piezoelektrischen Keramikscheibe, die auf beiden Seiten mit Metallbelägen versehen ist, die als Elektroden dienen. Der eine Metallbelag jedes piezoelektrischen Wandlers ist elektrisch leitend mit der Membran 13 verbunden, die als Masseanschluß dient. Die entgegengesetzten Metallbeläge sind über Drähte 22 bzw. 23 mit einer elektrischen Erregungsschaltung verbunden.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der elektrischen Erregungsschaltung und ihre Verbindung mit den beiden piezoelektrischen Wandlern 20, 21. Der Wandler 20 ist über den Draht 22 mit dem Eingang eines Verstärkers 24 verbunden, an dessen Ausgang der Wandler 21 über den Draht 23 angeschlossen ist. An den Ausgang des Verstärkers 24 ist ferner ein Schwellenwert-Diskriminator 25 angeschlossen, dessen Ausgangssignal ein Relais 26 steuert.

Der piezoelektrische Wandler 20 ist ein Empfangswandler, der mechanische Verformungen der Membran 13 aufnimmt, wodurch zwischen seinen beiden Elektroden eine elektrische Spannung erzeugt wird, die am Eingang des Verstärkers 24 anliegt. Die vom Verstärker 24 verstärkte Spannung

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liegt an dem piezoelektrischen Wandler 21 an, der dadurch
mechanisch verformt wird und diese Verformungen auf die
Membran 13 überträgt. Auf diese Weise erregt sich das aus
der Membran 13, den beiden Schwingstäben 14, 15 und dem
Detektorstab 16 bestehende mechanische Schwingungsgebilde
zu Schwingungen mit seiner Eigenresonanzfrequenz.

Fig. 4 zeigt schematisch sehr vereinfacht und stark übertrieben einen Augenblickszustand der mechanischen Schwin- j gang des Schwingungssystems. Die Erregung des Gesamtsystems erfolgt über eine abwechselnd in entgegengesetz- \ ten Richtungen auf die Membran wirkende zentrische Kraft ] F- die durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Die beiden
Schwingstäbe 14 und 15 führen gegensinnige Schwingungen
in der gemeinsamen Schwingungsebene quer zu ihrer Längsrichtung aus. Diese gegensinnigen Schwingungen setzen
sich aus Biegeschwingungen der Schwingstäbe und aus Drehschwingungen der Schwingstäbe um die Verbindungslinie mit i der Membran 13 zusammen. Die am Rand eingespannte Membran j 13 wird durch die Drehschwingungen gebeult und wirkt als ! Federglied für die von den Schwingstäben gebildeten Mas- | sen bei den Drehschwingungen. Dadurch werden auf die Mem- I bran 13 Drehmomente M₁ und &Mgr;__&ggr; ausgeübt.

Wenn zunächst angenommen wird, daß der Detektorstab 16 <

nicht vorhanden ist, stellen die beiden völlig gleich f

ausgebildeten Schwingstäbe 14, 15 mit der Membran 13 ein ? vollkommen symmetrisches Schwingungsgebi.lde dar. Die bei |_; den gegensinnigen Schwingungen erzeugten Drehmomente &Mgr;_&ggr; \ und M_TT sind stets gleich groß und einander entgegenge- f.

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setzt gerichtet, so daß sie sich gegenseitig aufheben. \

Es bleibt daher kein Restdrehmc . bestehen, das von f

der Einspannung aufgenommen werden muß, und es geht auch |i

keine Energie Über die Einspannung verloren. §

Durch die Hinzufügung des Detektorstabs 16 wird das System unsymmetrisch. Zu dem Drehmoment M_ addiert sich ein von dem Detektorstab 16 verursachtes Drehmoment VL^, das durch das Drehmoment M₁₁ nicht ausgeglichen wird. Daher bleibt das Drehmoment M_R als Restdrehmoment bestehen, das von der Membraneinspannung aufgenommen werden muß, damit der Gleichgewichtszustand hergestellt wird, bei dem die Summe aller Drehmomente Null ist. Zugleich fließt ein großer Teil der infolge des Restdrehmoments auf die Membraneinspannung wirkenden Bewegungsenergie in Form von Dämpfungsenergie über die Behälterwand ab. Diese Verlustenergie muß dem Schwingungssystem über die Erregungsanordnung als Wirkenergie zugeführt werden,- damit der Schwingungszustand aufrechterhalten wird.

Bei der beschriebenen Vorrichtung werden diese Auswirkungen der Unsymmetrie durch eine besondere Ausbildung vernachlässigbar klein gemacht. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Eigenresonanzfrequenz des aus der Membran 13 und dem Detektorstab 16 bestehenden Schwingungsgebildes größer als die Eigenresonanzfrequenz des aus der Membran 13 und den Schwingstäben 14,15 bestehenden Schwingungsgebildes ist. Die Eigenrssonanzfrequenz des aus der Membran 13 und dem Detektorstab 16 bestehenden Schwingungsgebildes ist die Schwingungsfrequenz, die sich bei einer Selbsterregung durch die Etregungsanordnung von Fig. 3 einstellen würde, wenn die beiden Schwingstäbe 14 und 15 nicht vorhanden wären. Sie wird nachfolgend "Detektorstab-Eigenresonanzfrequenz for," genannt und ist im wesentlichen durch die Biegeschwingungs-Eigenresonanzfrequenz des Detektorstabs 16 bestimmt. In entsprechender Weise ist die Eigenresonanzfrequenz des aus der Membran 13 und den Schwingstäben 14, bestehenden Schwingungsgebildes die Schwingungsfrequenz, die sich bei einer Selbsterregung durch die Erregungsan-

Ordnung von Fig. 3 einstellen würde, wenn der Detektorstab 16 nicht vorhanden wäre. Sie wird nachfolgend "Schwingstab-Eigenresonanzfrequenz fpo" genannt und ist im wesentlichen durch die Biegeschwingungs-E.igenresonanzfrequenz jedes der Schwingstäbe 14, 15 bestimmt.

Vorzugsweise ist die Detektorstab-Eigenresonanzfrequenz f-Q groß gegen die Schwingstab-Eigenresonanzfrequenz fj^· Dies ergibt die Wirkung, daß durch die Hinzufügung des Detektorstabs 16 die Eigenresonanzfrequenz f_RG des Gesamtsystems nur geringfügig kleiner als die Schwingstab-Eigenresonanzfrequenz fpg wird. Die Schwingungsfrequenz, mit der sich das mechanische Schwingungsgebilce von Fig» 1 und 2 über die Erregungsanordnung von Fig. 3 erregt, und die auch die Frequenz der vom Verstärker 24 verstärkten Wechselspannung ist, liegt somit in der Nähe der Schwingstab-Eigenresonanzfrequenz f_RS und weit ab von der Detektorstab-Eigenresonanzfrequenz fry-,· Demzufolge schwingt der Detektorstab 16 nicht in Eigenresonanz, sondern es wird ihm durch die Membranbeulung eine transversal«» Schwingbewegung weit unterhalb seiner Eigenresonan?: aufgezwungen. Das von dieser Srhwingbewegung stammende Restdrehmoment M_R, das sich dem Drehmoment M_T überlagert und von der Membraneinspannung aufgenommen werden muß, ist gegen die beiden Drehmomente M₁ und M₁₁, die sich gegenseitig aufheben, vernachlässigbar klein. Demzufoloe ist auch die Verlustenergie, die infolge der durch den Detektorstab 16 verursachten Unsymmtetrie in die Behälterwand abfließt, sehr gering. Das ganze Schwingungsgebilde kann daher rrit sehr kleiner Wirkenergie angeregt werden, und die mechanische Beanspruchung der Membraneinspannung ist sehr gering. Das Schwingungsgebilde verhält sich somit nahezu wie ein vollkommen symmetrisches System.

Eine Betrachtung der Massenträgheitsmomente der drei Stäbe 114, 15 und 16 führt zu dem gleichen Ergebnis.

Bekanntlich ergibt sich das Massenträgheitsmoment &THgr; eines Stabes mit konstantem Querschnitt in bezug auf seinen Drehpunkt nach der Formel:

&thgr; = -&ggr; m-d²

worin m die Masse des Stabes und d der Abstand des Endes des Stabes vom Drehpunkt ist. Wenn zunächst nur das aus den Schwingstäben 14, 15 und der Membran 13 bestehende System betrachtet wird, besteht vollkommene Symmetrie/ '■ =nn die beiden Schwingstäbe 14, 15 das gleiche Massenträgheitsmoment Gg haben. Selbst wenn dieses Massenträgheitsmoment 9_ sehr groß ist, heben sich die vci den beiden Schwingstäben verursachten Kräfte und Drehmomente dann gegenseitig völlig auf. Damit diese Symmetrie nicht wesentlich gestört wird, muß das Massenträgheitsmoraent 0_D des Detektorstabs 16 klein gegen das Massenträgheitsmoment 0_C jedes Schwing-Stabs 14, 15 sein. Die vom Massenträgheitsmoment 0_D des Detektorstabs 16 verursachten Kräfte und Drehmomente, die von der Membraneinspannung aufgenommen werden müssen, sind dann vernachlässigbar. Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird das geringe Massenträgheitsmoment des Detektorstabs 16 insbesondere durch seine Ausbildung als Hohlrohr erzielt.

Die vorstehenden Betrachtungen gelten für den Fall, daß sich dec Detektorstab 16 weitgehend reibungsfrei bewegen kann, wie es insbesondere der Fall ist, wenn er sich in Luft befindet. Wenn dagegen die erzwungene Schwingbewegurg des Detektorstabs 16 durch Reibung gehemmt wird, wird die Reibungsenergie dem Schwingsystem entzogen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Detektorstab 16 in ein Medium eintaucht, das eine Bremswirkung auf den Detektorstab 16 ausübt. Solche Medien sind insbesondere körnige öder pulverförmige Feststoffe. Infolge der dem Schwingsystem durch die Reibung entzogenen Vör3ustenergie nimmt

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i die Schwingungsamplitude ab, wobei die Schwingungen sogar | ganz aussetzen können. Entsprechend der Schwingungsamplitude verringert sich auch die Amplitude der Wechselspan- ~ nung am Ausgang des Verstärkers 24. Der an den Verstärker

24 angeschlossene Schwellenwert-Diskriminator 25 spricht beim Unterschreiten einer bestimmten SpannungSamplitude an und bringt das Relais 26 zum Umschalten. Dadurch wird angezeigt, da£ der Füllstand i?¹¹ Behälter eine Höhe erreicht hat, bei welcher der Detektorstab 16 vom Füllgut bedeckt ist. Wenn der Füllstand im Behälter abnimmt, so daß der Detektorstab 16 nicht mehr in das Füllgut eintaucht, kann sich das schwingungsfähige System wieder erregen, und sobald die Ausgangsspannung des Verstärkers 24 wieder den Schwellenwert des Schwellenwert-Diskriminators

25 übersteigt, bringt das Ausgangssignal des Schwellenwert-Diskriminators 25 das Relais 26 wieder in die erste Stellung, wodurch das Unterschreiten des zu überwachenden Füllstands angezeigt wird. Das Relais 26 kann natürlich auch zur Steuerung und Auslösung bestimmter Arbeitsgänge benutzt werden, durch die es beispielsweise möglich ist, den zu überwachenden Füllstand automatisch konstant oder in bestimmten Grenzen zu halten.

Damit der durch Reibung bewirkte Energieentzug möglichst groß ist, ist es zweckmäßig, den Detektorstab 16 mit möglichst großen Reibungsflächen auszubilden. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausbildung als Hohlstab ergibt gegenüber einem Vollstab gleich große Reibungsflächen, jedoch mit dem erwünschten geringen Trägheitsmoment.

Die Vorteile der beschriebenen Vorrichtung sind erheblich. Die beiden gegensinnig schwingenden parallelen Schwingstäbe 14, 15, die im wesentlichen das Schwingungsverhalten bestimmen, liegen in einem gegenüber dem Inneren des Behälters dicht abgeschlossenen Raum; sie können daher mit dem Füllgut nicht in Berührung kommen.

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so daß keine Gefahr besteht, daß sich Füllgut an oder zwischen den Schwingstäben festsetzt und deren Schwingungsverhalten beeinträchtigt. Dagegen sind Ansatzbildungen von Füllgut am Detektorstab praktisch ohne Einfluß auf das Schwingungsverhalten des Schwingsystems. Wenn sich der Detektor in Luft befindet, bewegt sich ein Ansatz mit dem Detektorstab mit, ohne daß hierdurch dem Schwingsystem eine nennenswerte zusätzliche Wirkenergie entzogen wird. Beim Eintauchen in das Füllgut führt der Ansatz allenfalls zu einer erwünschten Erhöhung, auf keinen Fall aber zu einer Verringerung der Reibungsenergie.

Wie zuvor erwähnt wurde, soll das Massenträgheitsmoment Q&ldquor; der Schwingstäbe 14, 15 möglichst groß gegen das Massenträgheitsmoment 0_D des Detektorstabs 16 sein. Damit einhergehend ist auch ein großes Verhältnis der Detektorstab-Eigenresonanzfrequenz f^- zur Schwingstab-Eigenresonanzfrequenz f_RS· Nun läßt sich aus mechanischen Gründen das Massenträgheitsmoment 0_D des Detektorstabs 16 nicht beliebig klein machen. Der Detektorstab 16 muß eine gewisse Länge haben, damit er seine Detektorfunktion ausüben kann. Ferner muß er eine ausreichende mechanische Festigkeit haben, damit er unter den rauhen Betriebsbedingungen durch das Füllgut nicht beschädigt wird. Ausgehend von dem dadurch bedingten Mindest-Massenträgheitsmoment des Detektorstabs läßt sich das Verhältnis der Massenträgheitsmomente dadurch vergrößern, daß das Massenträgheitsmoment der Schwingstäbe 14, 15 größer gemacht wird, was bei der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 insbesondere durch Verlängerung der Schwingstäbe 14 und 15 möglich ist. Dies kann jedoch zu einer unerwünscht großen Baulänge der Vorrichtung führen.

In den Figuren 5, 6 und 7 ist eine andere Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt, die bei geringer Baulänge Schwingstäbe von großem Massenträgheitsmoment aufweist.

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Die Vorrichtung von Fig. 5 bis 7 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 1 und 2 im wesentlichen nur hinsichtlich der Ausbildung der Schwingstäbe 30 und 31. Die übrigen Bestandteile, die die gleiche Ausbildung und Funktion wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet und Werden nicht nochmals beschrieben.

Der Schwingstab 30 von Fig. 5 und 6 besteht aus einem elastischen stabförmigen Träger 32 von verhältnismäßig kleinem Querschnitt, der am einen Ende starr mit der Membran 13 verbunden ist, und aus einem am freien Ende des Trägers 32 befestigten Masseblock 34, dessen Querschnitt wesentlich größer als der Querschnitt des Trägers 32 ist. In entsprechender Weise besteht der Schwingstab 31 aus einem elastischen Träger 33 und einem Masseblock 35. Die beiden Masssblöcke 34 und 35 sind, wie die Draufsicht von Fig. 7 zeigt, so geformt, daß sie nahezu den gesamten freien Querschnitt des Gehäuses 10 bis auf die für die Schwingbewegung erforderlichen Zwischenräume ausfüllen. Auf diese Weise läßt sich bei geringer Bauhöhe das größtmögliche Massenträgheitsmoment erzielen.

Unter der Bezeichnung "Schwingstab" ist also nicht notwendigerweise ein stabförmiges Gebilde von gleichbleibendem Querschnitt zu verstehen; vielmehr gehört dazu jedes Bauteil, das bei einseitiger Befestigung an einer Membran Dreh- und/oder Biegeschwingungen quer zu seiner Längsachse ausführen kann.

Desgleichen ist unter der Bezeichnung "Membran" jedes plattenförmige Bauteil zu verstehen, das in der in Fig. 4 dargestellten Weise elastisch verformbar ist. Es kann sich dabei um Metallplatten verhältnismäßig großer Dicke und dementsprechend großer Biegesteifigkeit handeln. In

der Praxis sind die Verformungen der Membran und auch die Schwingungsamplituden der Schwingstäbe sehr klein.

Es sind auch noch andere Abwandlungen der beschriebenen Vorrichtung möglich, ohne da3 sich das geschilderte Funktionsprinzip ändert. Insbesondere ist es nicht notwendig, _r daß der Detektorstab, wie bei den Ausführungsformen von

ng. &igr;, &igr; una von Fig. b bis /, in der Verlängerung eines

beiden Schwingstäbe angebracht ist. Der Detektorstab kann auch an einer anderen Stelle der Membran befestigt «ein, vorzugsweise an einer Stelle, an der die Membran eine «teile Biegelinie besitzt, so daß dem Detektorstab durch die Membranbeulung eine transversale Schwingbewegung aufgeprägt wird, die bei Bedeckung durch ein Füllgut gedämpft werden kann. Fig. 8 zeigt als Beispiel sehr schematisch das mechanische Schwingungsgebilde einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Membran 40, zwei Schwingstäben 41, und einem Detektorstab 43. Der Detektorstab 43 ist auf der Membran 40 an einer Stelle befestigt, die um 90° gegen die Befestigungsstellen der Schwingstäbe 41, 42 versetzt ist.

Grundsätzlich gilt, daß der Einfluß einer Dämpfung des Detektorstabs auf das Schwingsystem am größten ist, wenn der Detektorstab in der Verlängerung eines der Schwingstäbe liegt, wie es bei den Ausführungsformen von Fig. 1,2 und von Fig. 5 bis 7 der Fall ist. Man wird deshalb diese Anordnung des Detektorstabs insbesondere dann wählen, wenn die Vorrichtung zur Überwachung von leichten oder nur schwach dämpfenden Füllgütern verwendet wird. Wenn dagegen der Detektorstab gegen die Schwingstäbe versetzt ist, wie bei der Ausführungsform von Fig. 8, ist sein Einfluß auf das Schwingsystem geringer; diese Anordnung kommt daher insbesondere für grobe, schwere oder stark dämpfende Füllgüter in Frage.

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Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung ist unabhängig f

von der Art und Weise, wie die Schwingungen erregt werden. |

Die Erregung durch piezoelektrische Wandler ist nur als " Eeispiel angegeben worden; andere Arten der Erregung mechanischer Schwingungen von stabförmigen Schwingungsgebilden sind dem Fachmann bekannt.

Ferner ist es nicht erforderlich, daß die Membran kreis- |

rund und um ihren ganzen Umfang eingespannt ist. Beispiels- %

weise kann die Membran auch rechteckig und entlang zwei |

parallelen Seiten eingespannt sein. |

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die jj

Auswirkungen der durch den Detektorstab verursachten Un- S

symmetrie um so geringer sind, je weiter die Schwingstab- |

Eigenresonanzfrequenz und die Detektorstab-Eigenresonanz- i

frequenz auseinanderliegen· In der Praxis braucht dieses 1

Verhältnis nicht allzu groß gemacht zu werden. Bei einer £

praktisch erprobten Vorrichtung konnten brauchbare Ergeb- i

nisse mit einer Schwingstab-Eigenresonanzfrequenz von I

etwa 100 Hz und einer Detektorstab-Eigenresonanzfrequenz |

von etwa 600 Hz erzielt werden, also mit einem Frequenz- P

Verhältnis von 1:6. Die Eigenresonanzfrequenz des gesamten &ngr;

Schwingsystems lag dabei nur wenige Hertz unter der Schwing- |

stab-Eigenresonanzfrequenz von 100 Hz. |

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Claims (7)

PRINZ, LEIS'E-R; BidNKE.·&,-RARTNER Patentanwalt^ · ' *Etirct>ean Wtent 'Attorneys Manzingerweg 7 8000 München 60 31. März 1989 Endress u. Hauser GmbH u. Co. unser Zeichen: E 1336x Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter, mit zwej Schwingstäben, die im Abstand voneinander jeweils an einem Ende starr mit einer am Rand eingespannten Membran verbunden sind, einer Erregungsanordnung, die die Schwingstäbe in Eigenresonanz in gegensinnige transversale Schwingungen versetzt, und mit einer Auswerteschaltung zur Auslosung von Anzeige- und/ oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitudo der Schwingstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingstäbe {14, 15; 30, 31; 41, 42) auf der dem Füllgut abgewandten Seite der Membran ',13; 40) angeordnet sind, daß auf der dem Füllgut zugewandten Seite der Membran (?3; 40) ein Detektorstab (16, 43) am einen Ende starr mit der Membran (13; 40) verbunden ist, und daß die Eigenresonanzfrequenz des vom Detektorstab (16; 43) und der Membran (13; 40) gebildeten Schwingsystems größer als die Eigenresoivanzfrequenz des von den Schwingstäben (14, 15; 30, 31; 41, 42) und der Membran (13; 40) gebildeten Schwingaystems ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß das Massenträgheitsmoment des Detektorstabs (16; 43) klein gegen das Massenträgheitsmoment jedes Schwingstabs (14, 15; 30, 31; 41, 42) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorstab (to) in der Verlängerung eines der Schwingstäbe (14, 15; 30, 31) an der Membran befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorstab (4&lgr;) an einer Stelle der Membran (40) befestigt ist, die gegen die Befestigungsstellen der Schwingstäbe (41, 42) versetzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schwingstab (30, 31) aus einem elastischen stabförmigen Träger (32, 33) und einem am Träger befestigten Masseblock (34, 35) besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche _t dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorstab (16) hohl ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingstäbe (14, 15; 30, 31) in einem Raum (10) angeordnet sind, der gegenüber dem das Füllgut enthaltenden Raum dicht abgeschlossen ist.