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Vorrichtung zur Feststellung und/9der Kontrolle eines bestimmten
Füllstandes in einem Behälter Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Feststellung und/oder Kontrolle eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter mit
einem zumindest ein in den Behälter hineinragendes als Schwingstab ausgebildetes
Schwingungselement aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berühren
von in dem Behälter vorhandenen Füllgut gedämpft werden, und mit Einrichtungen zur
Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit der Amplitude der
Schwingungen.
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Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. Es wird der Effekt ausgenutzt,
daß Schwingungsenergie durch Impulsübertragung von dem Schwingungsgebilde auf das
Füllgut übergeht, wodurch das zu Schwingungen angeregte Schwingungsgebilde eine
Dämpfung erfährt.
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Aus der DE-PS 582 760 und der GB-PS 1 013 186 sind Vorrichtungen bekannt,
bei denen zumindest ein Schwingstab, der auf seiner Resonanzfrequenz zu Biegeschwingungen
angeregt wird, in einen zu überwachenden Behälter hineinragt und dessen Schwingungen
bei der Berührung mit dem Füllgut gedämpft werden, so daß durch diese Schwingungsänderung
der Füllstand angezeigt werden kann.
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Diese bekannten Füllstandsmeßvorrichtungen zeigen jedoch den Nachteil,
daß der einzelne Schwingstab beträchtliche Wechselkräfte auf die Einspannvorrichtung
und damit auf die Behälterwandung ausübt, so daß Schwingungsenergie vom Schwingstab
auf die Behälterwandung übertragen wird. Die Leerlaufverl uste des Schwingungsgebildes,
das sind die Schwingungsenergieverluste, wenn das Schwingungsgebilde nicht in Füllgut
eintaucht, sind entsprechend groß. Das Schwingungsantri ebssystem muß deshalb leistungsstark
ausgelegt sein, um Schwingungen in der Kontrolivorrichtung aufrechtzuerhalten. Das
hat jedoch zur Folge, daß das Schwingungsgebilde beim Eintrauchen in leichtere Schüttgüter,
die ein geringes Dämpfungsvermögen haben, nicht mehr genügend gedämpft wird. Das
bedeutet jedoch, daß leichtere Schüttgüter mit diesen Vorrichtungen nicht kontrollierbar
sind.
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Es wurde daher der Vorschlag unterbreitet, anstelle eines Schwingstabes
zwei parallel nebeneinander angeordnete Schwingstäbe in den Behälter hineinragen
zu lassen, die an der Einspannstelle über ein Joch miteinander verbunden sind und
in gegensinnige B-iegeschwingungen versetzt werden können (DE-AS 1 773 815).
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Neben dem erheblich größeren konstruktiven Aufbau im Vergleich zu
den Meßvorrichtungen mit einem einzigen Schwingstab zeigt die als Stimmgabel ausgebildete
Vorrichtung den Nachteil, daß zwischen den Schwingstäben pulverförmige oder faserige
Füllgüter hängenbleiben können, so daß eine Dämpfung des Schwingungsgebildes erfolgt,
obwohl ein niedriger Füllstand vorhanden ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, ohne Ubertragung von
Schwingungsenergie zur Behälterwand eine überaus präzise Überwachung der Füllstandshöhe
in einem Behälter zu ermöglichen, ohne daß eine aufwendige Konstruktion erforderlich
ist.
Gleichzeitig soll sichergestellt sein, daß das Schwingungsgebilde
keine Fehimessungen liefert, die zum Beispiel durch Hängenbleiben des Füllgutes
an dem Gebilde verursacht werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schwingungsgebilde
zwei übereinander angeordnete Schwingungselemente aufweist, die als gleiche Resonanzfrequenz
aufweisende Drehschwi nger ausgebildet und zur Bestimmung des Füllstandes in Schwingungen
von entgegengesetztem Drehsinn angeregt sind.
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Vorzugsweise sind die Schwingungselemente im Zentrum jeweils einer
als Rückholfeder wirkenden Membran angeordnet, deren äußere Ränder Uber ein Rohrstück
miteinander verbunden sind.
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Die von den Schwingungselementen verursachten Drehmomente, die auf
das Rohr wirken, kompensieren sich auf diesem. Damit der Schwerpunkt des gesamten
Schwingungsgebi ides nicht schwingt, wodurch ebenfalls Schwingungsenergie verlorengehen
könnte, liegt der Schwerpunkt eines jeden Schwingungselementes jeweils im Zentrum
der entsprechenden Membran und auf der Drehachse des Schwingungselementes. Dadurch
bildet das gesamte Rohr den Schwingungsknoten des Schwingungsgebildes. Mit einer
Ringmembran wird das Schwingungsgebilde an diesem Rohr in ein Einschraubstück eingehängt,
mit dem das gesamte Gerät in die Wandung des Behälters montiert wird, in dem der
Füllstand kontrolliert werden soll.
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Vorzugsweise besteht das Schwingungsgebilde aus nicht magnetisierbarem
Material.
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Um das Schwingungsgebilde in Schwingungen versetzen zu können, wird
ein elektromagnetisches Antriebssystem gewählt, welches aus einer vorzugsweise von
einem pulsierenden Gleichstrom durchflossenen, einen Anker umgebenden Spule, dem
Anker und zwei magnetischen Polen b-esteht, von denen jeweils einer in einem der
Schwingungselemente eingelassen ist. Dabei zeigt der Anker zwei auf die Schwingungselemente
ausgerichtete parallele oder nahezu parallele Schenkel,
deren freie
Enden jeweils dem magnetischen Pol in einem der Schwingungselemente zugewandt sind.
Das Abgreifen der Schwingung erfolgt ebenfalls durch ein elektromagnetisches System,
das diametral zum Antriebssystem angeordnet ist und aus einem mit einem Schwingungselement
verbundenen Stabmagnet und einer diesen teilweise umgebenden Spule besteht. Dabei
wird in der Spule bei Schwingungen des Schwingungsgebildes durch Bewegen des Stabmagneten
in der Spule eine Spannung induziert, die über einen Verstärker als pulsierender
Gleichstrom der Spule des Antriebssystems zuführbar ist. Um ein Messen und Kontrollieren
des Füllstandes in einem Behälter zu ermöglichen, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung
angeordnet ist, Ist der Ausgang des Verstärkers mit einem Schwellwertdiskrlminator
verbunden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung: Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fi9. 2 eine Seitenansicht eines Schwingungselements,
welches In einen Behälter hineinragt.
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Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung enthält zwei übereinander angeordnete
Schwingungselemente, von denen das untere in einen Behälter hineinragt und aus einer
zylindrischen Masse und einem sich anschlIeßenden stabförmigen Teil 2 zusammensetzt.
Die zylindrische Masse 1 und der stabförmige Teil 2, der, wie Fig. 2 zeigt, als
Paddel ausgebildet sein kann, sind starr miteinander im Zentrum einer Membran 3
verbunden. Das in den Behälterraum ragende Ende des stabförmigen Teils 2 ist quer
zur Schwingungsrlchtung (durch Pfeile angedeutet) flach gequetscht, wodurch die
Paddelform
erzeugt wird. Gleichzeitis wird damit die wirksame Fläche, die mit dem zu überprüfenden
Füllgut in Verbindung treten kann, vergrößert. Oberhalb des ersten als Drehschwingkörper
ausgebildeten Schwingungselements 1, 2 befindet sich das zweite ebenfalls als Drehschwingkörper
ausgebildete Schwingungselement 4, 5.
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Das zweite Schwingungselement ist dabei vorzugsweise aus zwei zylindrischen
Massen 4 und 5 gebildet, die starr miteinander im Zentrum einer Membran 6 mit dieser
verbunden sind. Ebenfalls wie das erste Schwingungselement 1, 2 ist auch der andere
Drehschwingkörper in sich steif im Vergleich zu den mit diesen verbundenen Membranen
3 bzw. 6. Demzufolge führt sowohl das Schwingungselement 1, 2 als auch das Schwingungselement
4, 5 eine Drehschwingung um eine Drehachse D1 bzw. D2 durch, die auf einem Durchmesser
der entsprechenden Membran 3 bzw. 6 liegt.
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Wirken nun zum Beispiel in Richtung der eingezeichneten Pfeile Drehmomente
auf die Schwingungselemente, so erfolgt eine Drehung aus der Ruhelage um die Drechachsen
D1 bzw. D2. Dabei werden die Membranen 3 bzw. 6 elastisch deformiert und üben rückstellende
Drehmomente auf die Drehschwingkörper aus. Werden nun die Schwingungselemente losgelassen,
so beginnt eine Schwingung um die jeweilige Ruhelage. Daß die Schwingung eines jeden
Schwingungselements als Drehschwingung bezeichnet werden darf, ergibt sich aus der
Tatsache, daß jeder Punkt eines jeden Drehschwingkörpers von seiner Drehachse aus
gesehen gleichzeitig um denselben Drehwinkel aus der Ruhelage ausgelenkt ist.
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Die Resonanzfrequenz der beiden Schwingungselemente läßt sich nach
der Formel berechnen:
Dabei ist J das Massenträgheitsmoment des jeweiligen als Drehschwingkörper ausgebildeten
Schwingungselements 1, 2 bzw. 4, 5
bezogen auf die Drehachse Dl
bzw. D2 und D die Winkelrichtgröße der als Rückholfeder wirkenden Membran 3 bzw.
6. Die Schwingungselemente sind nun so dimensioniert, daß sie gleiche Resonanzfrequenz
haben, was auf einfache Weise durch geeignete Wahl der Abmessungen der jeweilig
Teile der Schwingungselemente und der dazugehörigen Membranen möglich wird.
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Die äußeren Ränder der Membranen 3 und 6 sind je an einem Ende eines
Rohres 7 mit diesem verbunden. Werden nun die beiden Schwingungselemente 1, 2 bzw.
4, 5 in einer gleichen Schwingungsebene in entgegengesetztem Drehsinn zu Schwingungen
angeregt, so wirken die durch die elastischen Deformationen der Membranen 3 und
6 verursachten Drehmomente auf das Rohr und kompensieren sich. Wird die Massenverteilung
der beiden Drehschwingkörper so gewählt, daß ihre Schwerpunkte auf ihrer Drehachse
Dl bzw. D2 liegen, so bewegen sich die beiden Schwerpunkte während des Schwlngungsvorgangs
nicht, so daß: auch der Schwerpunkt des ganzen Systems in Ruhe bleibt. Das Rohr
7 bildet deshalb auf seiner gesamten Länge den Schwingungsknoten des Schwingungssystems.
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Mit einer Ringmembran 8 kann das Schwingungsgebilde an dem Rohr 7
in einem Einschraubstück 9 befestigt werden. Die schwingungstechniscl weiche Aufhängung
mit der Ringmembran 8 soll verhindern, daß eine eventuell noch vorhandene Restschwingung
auf dem Rohr 7 über das Einschraubstück 9 zur Sehäl terwandung 10 verlorengehen
kann.
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Als Schwingungsantriebssystem wird ein elektromagnetisches System
vorgeschlagen. Dieses besteht aus einem magnetischen Anker 11, welcher in der Schwingungsebene
seitlich an das Rohr 7 montiert ist.
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Das Rohr 7 wie die weiteren Elemente des Schwingungsgebi Ides, also
die Schwingungselemente 1, 2 und 4, 5 bestehen aus magnetisch nicht leitfähigem
Material. Der Anker 11 weist zwei, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende
Schenkel auf, die auf die einander angrenzender
Teile der Schwingungselemente
1, 2 bzw. 4, 5 gerichtet sind. Die freien Enden der Schenkel werden dabei durch
Bohrungen in der Wandung 7 -hindurchgeführt und bis auf einen Abstand von 1 bis
2 mm zu den Massen 1 und 5 der Drehschwingkörper herangeführt. Wie erwähnt, sind
auch die Schwingungselemente 1,2 bzw. 4,5 aus magnetisch nicht leitfähigem Material
hergestellt, dieses kann zum Beispiel Messing sein. Den freien Enden des Ankers
11 gegenüberliegend sind in den beiden Schwingungselement-Teilen 1 bzw. 5 je ein
magnetischer Pol 12 aus magnetisch weichem Material, zum Beispiel aus kohlenstoffarmen
Stahl eingelassen. Der magnetische Anker 11 und die beiden magnetischen Pole 12
bilden zusammen einen magnetischen Kreis.
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Um den magnetischen Anker 11 liegt eine Spule 13. Fließt durch diese
Spule ein pulsierender Gleichstrom, so werden die beiden Pole 12 und damit die beiden
Teile 1 und 5 der Schwingungselemente im Rhythmus der Stromschwankung zum Anker
11 hingezogen, das heißt die beiden Drehschwinger werden in einer gemeinsamen Schwingungsebene
zu Drehschwingungen mit entgegengesetztem Drehsinn angeregt.
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Als Schwingungsabgriffsystem eignet sich ebenfalls ein elektromagnetisches
System besonders gut. Es wird auch in der Schwingungsebene liegend, wie das Antriebssystem,
jedoch auf der gegenüberliegenden Seite an das Rohr 7 befestigt. Es besteht aus
einem Stabmagneten 14, der an einem Ende am Drehschwingkörperteil 1 radial befestigt
ist. Das andere Ende des Stabmagneten ragt durch eine Bohrung 15 in dem Rohr 7 hindurch
und taucht in eine Spule 16 ein.
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Schwingen die Schwingungselemente 1, 2 bzw. 4,- 5, so bewegt sich
der Magnet 14 in der Spule 16 hin und her, so daß in dieser eine Wechselspannung
Induziert wird. Deren Frequenz ist gleich der Schwingungsfrequenz der Drehschwingkörper.
Die Amplitude der Wechselspannung ist von der mechanischen Schwingungsamplitude
des Schwingungselements
'abhängig. Die in der Spule 16 induzierte Wechselspannung wird in einem Verstärker
17 verstärkt und in einen pulsierenden Gleichstrom
verwandelt,
um der Spule 13 wieder zugeführt zu werden. Man erhält so ein rückgekoppeltes System.
Ist die Frequenz dieses pulsierenden Stromes gleich der Resonanzfrequenz der beiden
Drehschwinger, so erhält man eine maximale Schwingungsamplitude und damit auch eine
maximal induzierte Spannung in der Spule 16. Mit anderen Worten wird die größte
Ringverstärkung des rückgekoppelten Systems bei der Resonanzfrequenz des mechanischen
Schwingungssystems erzielt.
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Ist die Ringverstärkung größer als 1, so beginnt das System wie jeder
bekannte Oszillator von selbst anzuschwingen, und zwar auf der Resonanzfrequenz
des mechanischen Schwingungsgebildes. Begrenzt werden die Schwingungsamplituden
dadurch, daß der Verstärker übersteuert w-ird.
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Wird der in den Behälterraum hineinragende Stab 2 von Füllgut bedeckt,
so wird die Schwingung durch Energieentzug gedämpft. Dadurch kann ein am Ausgang
des Verstärkers 17 angeschlossener Schwellwert-Diskriminator 18 zum Ansprechen gebracht
werden, wodurch wiederum ein Relais 19 umschaltbar ist. Wird der Stab 2 durch Absenken
des Füllstandes wieder frei, so schwingt das System wieder an, und der Schwellwert-Diskriminator
18 schaltet das Relais 19 wieder zurück. Da das mechanische Schwingungsgebilde fast
keine Schwingungsenergie verliert, wenn es nicht in Füllgut eintaucht, muß die Antriebsleistung
durch den Verstärker nur sehr gering sein, um das System anschwingen zu lassen und
am Schwingen zu erhalten.
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Dadurch kann das System jedoch schon durch eine sehr geringe Dämpfung,
wie sie durch sehr leichte Schüttgüter entsteht, zum Anzeigen bzw. Schalten gebracht
werden. Das heißt, auch extrem leichte Schüttgüter können mit diesem Gerät kontrolliert
werden.
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Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß grundsätzlich Frequenzen
von 50 Hz bis 1 kHz für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet sind. Besonders
günstig sind jedoch Frequenzen von einigen
100 Hz und Schwingungsamplituden
am Ende des in den Behälter ragenden Schwingungsstabes von einigen Zehnteln mm.
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Das Gerät wird üblicherweise seitlich in der Höhe in die Behälterwandung
montiert, in der der Füllstand kontrolliert werden soll. Es ist jedoch auch möglich,
durch eine entsprechende Verlängerung von oben her das Gerät in den Behälter bis
zu der Höhe hineinhängen zu lassen, in der der Füllstand kontrolliert werden soll.
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L e e r s e i t e