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Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung der An-
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oder Abwesenheit eines Stoffs an einem Detektor oder des Abstands
zwischen Stoff und Detektor Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Feststellung der An- oder Abwesenheit eines Stoffs an einem Detektor
oder des Abstands zwischen Stoff und Detektor, dessen Ausgangsgröße durch den Stoff
beeinflußt wird.
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Nach dem Einbau von Detektoren, die zur Uberwachung von Stoffen verwendet
werden, muß meist eine Kalibrierung der aus den Detektoren und den nachgeschalteten
Ubertragungs-und Registriereinrichtungen bestehenden Anordnung durchgeführt werden.
Bei Detektoren zur Füllstandshöhenmessung bezieht sich beispielsweise diese Kalibrierung
auf die Justierung der Anordnung in bezug auf einen Anfangswert, der einem leeren
Behälter entspricht und einen Endwert des Meßbereichs, der bei vollem Behälter angezeigt
werden soll. Die Anzeige ist daher an die den Beginn, das Ende und gegebenenfalls
Zwischenwerte des Meßbereichs bestimmenden Meßgrößen anzupassen.
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Zum Grobabgleich zwischen den Detektoren und den nachgeschalteten
Ubertragungs- und Registrieranordnungen können Stufenschalter verwendet werden,
während d.er Feinabgleich mit Potentiometern vorgenommen werden kann. Ein Abgleich
mit diesen Mitteln ist jedoch- umständlich und zeitraubend. Abgleichfehler lassen
sich dabei nicht immer vermeiden.
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Es ist auch bereits e.n Verfahren zum weitgehend automatischen Abgleich
einer aus einem Detektor, einer Übertragungsstrecke und einer Registriereinrichtung
bestehenden Anordnung bekannt. Bei diesem Verfahren werden Sollwerte für den Bereichsanfang
und das Bereichsende vorgegeben.
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Das dem Bereichsanfang entsprechende Detektorausgangssignal wird einem
Eingang eines Differenzverstärkers und eine Impulsfolge über einen Tiefpaß dem zweiten
Eingang des Differenzverstärkers zugeführt. Aus dem Ausgangssignal des Tiefpasses
wird mit dem Sollwert für den Bereichsanfang ein Regelabweichungssignal gebildet,
mit dem die Frequenz bzw. das Impulsdauer-/Impulspausenverhältnis der Impulsfolge
im Sinne einer Verminderung der Regelabweichung auf den Wert null oder nahezu null
beeinflußt wird. Die der minimalen Regelabweichung entsprechenden Werte der Frequenz-
bzw. des Impulsdauer-/Impulspausenverhältnisses werden permanent gespeichert. Danach
wird von demjenigen Detektorausgangssignal, das dem Meßbereichsende entspricht,,
die dem Bereichsanfang entsprechende Impulsfolge abgezogen. Das Differenzsignal
wird in eine weitere Impulsfolge umgewandet, die in einen mittleren Gleichstrom-
oder Gleichspannungspegel umgeformt wird, der mit einem Sollwert verglichen wird,
der dem Bereichsende entspricht. Das aus dem Vergleich erhaltene Ausgangssignal
wird als Regelabweichung zur Beeinflussung der Frequenz bzw. des Impulsdauer-/Impulspausenverhältnisses
der weiteren Impulsfolge im Sinne einer Verminderung der Regelabweichung verwendet.
Bei einer Regelabweichung von null oder nahezu null wird der dieser Impulsfolge
entsprechende Wert für die Frequenz- oder das Impulsdauer-/Impulspausenverhältnis
ebenfalls permanent gespeichert. Durch die Inhalte der jeweiligen permanenten Speicherplätze
sind während der späteren Messungen die Frequenzen bzw. Impulsdauer-/Impulspausenverhältnisse
der beiden Impulsfolgen festgelegt (EU-US 81 110 445).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Feststellung
der An- oder Abwesenheit eines Stoffs an einem Detektor oder des Abstands zwischen
Stoff und Detektor zu entwickeln, mit dem auf einfache, leicht wiederholbare Weise
selbsttätig eine Kalibrierung durchgeführt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Detektor
eine schwingungsfähige Einrichtung benutzt wird, deren Eigenschwingungen durch den
Stoff beeinflußt werden, daß die schwingungsfähige Einrichtung jeweils kurzzeitig
zum Schwingen angeregt wird, daß zuerst in einer Kalibrierphase bei vorgegebenen
Referenzzuständen bezug lich der An- und Abwesenheit oder des Abstands des Stoffs
gegenüber der schwingungsfähigen Einrichtung während des Abklingens der Eigenschwingungen
Meßwerte der Eigenschwingung als Referenzwerte gespeichert werden, daß danach in
einer Meßphase bei kurzzeitigen Anregungen der schwingungsfähigen Einrichtung während
des Abklingens der Eigenschwingungen gewonnene Meßwerte phasengleich mit den Referenzwerten
verglichen werden und daß das Ergebnis des Vergleichs ausgegeben bzw. zur Betätigung
eines Schaltgliedes verwendet wird. Die vorstehend erläuterten Maßnahmen bestehen
im Prinzip darin, die, Abklingcharakteristik einer beliebigen, impulsförmig angestoßenen
Einrichtung bei vorgegebenen Zuständen zu speichern, um später die Abklingcharakteristik
bei erneuten impulsförmigen Anregungen der Einrichtung als Referenz zu verwenden.
Ein Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß Exemplarstreuungen und deren
Einfluß auf die Auswertschaltungen vermieden werden. Von den jeweiligen Gegebenheiten
des Einbaus abhängige Beeinflussungen der Detektoren müssen nicht mehr berücksichtigt
oder kompensiert werden, da die nach der Montage gegebene Abklingcharakteristik
als Referenz verwendet wird.
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Vorzugsweise werden die Meßwerte während der Abklingzeit der Eigenschwingung
durch periodische Abtastung der Ausgangsgröße der schwingungsfähigen Einrichtung
erzeugt.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform werden die durch Abtastung
der Ausgangsgröße der schwingungsfähigen Einrichtung erhaltenen Meßwerte in digitale
Werte umgewandelt, die bei der Messung der Referenzzustände in einen nichtflüchtigen
Speicher eingetragen werden. Die Referenzwerte stehen danach bei jeder Messung abklingender
Eigenschwingungen für den Vergleich zur Feststellung der An-oder Abwesenheit eines
Stoffes am Detektor oder des Abstands zwischen Stoff und Detektor zur Verfügung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die erhaltenen Referenz-
und Abtastwerte jeweils voneinander subtrahiert, wobei die Absolutwerte der Differenzen
aufsummiert und zur Anzeige der An- oder Abwesenheit eines Stoffs am Detektor oder
des Abstands zwischen Stoff und Detektor ausgegeben werden. Die Summen der Differenzen
sind für die An- oder Abwesenheit des jeweiligen Stoffs am Detektor bzw. den Abstand
zwischen Stoff und Detektor charakteristisch. Auf relativ einfache Weise lassen
sich somit Werte erhalten, aus denen die jeweils herrschenden Bedingungen am Detektor
erkannt werden können. Beispielsweise entspricht die Summe null der Abwesenheit
des Stoffs am Detektor. Sowohl die Referenzwerte als auch die später gewonnenen
Meßwerte sind nämlich gleich, was bedeutet, daß die Eigenschwingungen nicht zusätzlich
durch den Stoff bedämpft werden. Wenn die Summe null ist, bedeutet das also, daß
keine zusätzlich gedämpfte abklingende Schwingung vorliegt.
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Zweckmäßigerweise wird die Summe der Absolutwerte der Differenzen
mit einem Berwertungsfaktor verglichen, der
der Abwesenheit des
Stoffs am Detektor zugeordnet ist.
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Mit dem Bewertungsfaktor wird der Einfluß von Meßungenauigkeiten der
für die Messung verwendeten Geräte berücksichtigt. Kleine Abweichungen der Summe
der Differenzen vom Wert null können durch derartige Meßungenauigkeiten hervorgerufen
werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß
jeweils aufeinanderfolgende Meßwerte in Absolutwerte umgewandelt und voneinander
subtrahiert werden, daß eine positive Differenz auf den Faktor eins und eine negative
Differenz auf den Faktor null gerundet werden und daß die Summe der Faktoren mit
der Anzahl der Meßwerte verglichen wird. Mit dieser Maßnahme wird zusätzlich geprüft,
ob die schwingungsfähige Einrichtung gegenüber der Referenzschwingung abklingende
Schwingungen ausführt.
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Mit dieser weiteren Prüfung lassen sich gedämpfte Eigenschwingungen
trotz des Einflusses von Störungen erkennen.
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Eine abklingende Eigenschwingung .8.ist vorhanden, wenn diese Bedingung
nicht zutrifft.
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Vorzugsweise wird die Summe der abgerundeten Differenzen der Absolutwerte
benachbarter Abtastwerte der Eigenschwingung mit dem Produkt aus der Zahl der Abtastwerte
und einem Korrekturfaktor verglichen. Mit dem Bewertungsfaktor wird eine Schwelle
eingeführt, durch die Fehlereinflüsse beseitigt werden. Als Fehlereinflüsse kommen
Rauscheffekte oder Quantisierungsfehler in Frage.
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Mit den oben erläuterten Maßnahmen läßt sich jederzeit eine neue Kalibrierung
erreichen. Dies kann erwünscht sein, wenn beispielsweise für die Bereichsgrenzen
einer Messung andere Referenzzustände gewünscht werden. Ein anderer Referenzzustand
für den Beginn eines Meßbereichs
ergibt sich z.B. dann, wenn nach
einigen Arbeitszyklen die schwingungsfähige Einrichtung mit einer Schicht anhaftenden
Materials bedeckt ist, obwohl sie nicht in den Stoff eintaucht. Dieser Fall tritt
auf, wenn ein Behälter nach einer Füllung mit einem Material, das Adhäsion aufweist,
wieder geleert worden ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Verfahren
besteht erfindungsgemäß darin, daß eine schwingungsfähige Einrichtung vorgesehen
ist, die zumindest während des Schwingens eine elektrische Ausgangsgröße abgibt
oder einen Meßwertgeber zur Abgabe einer elektrischen Ausgangsgröße veranlaßt, daß
die schwingungsfähige Einrichtung jeweils durch einen Impuls zum Schwingen anregbar
ist, der mit Taktimpulsen eines Taktgebers synchronisiert ist, daß die elektrische
Ausgangsgröße einer mit den Taktimpulsen synchronisierten Abtast- und Halteschaltung
zuführbar ist, der ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der in der Kalibrierphase
mit einem nicht flüchtigen Speicher und in der Meßphase mit einem Rechenwerk verbunden
ist, dessen weitere Eingänge in der Meßphase an die Ausgänge des Speichers angeschlossen
sind.
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Diese Anordnung hat einen einfachen Aufbau. Sie kann in Verbindung
mit unterschiedlichen Arten von schwingungsfähigen Einrichtungen benützt werden.
Umständliche Einstell- und Abgleichmaßnahmen sind nicht erforderlich, um die Kalibrierung
auf vorgegebene Referenzzustände vorzunehmen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Taktgenerator,
das Rechenwerk, die Abtast- und Halteschaltung und der Analog-Digital-Wandler mit
einem Steuerwerk verbunden sind, das über einen Frequenzteiler an die schwingungsfähige
Einrichtung und über eine Adres-
sierschaltung an den Speicher
angeschlossen ist und das eingangsseitig Bedienelemente für die Umstellung von der
Kalibrierphase auf die Meßphase und Empfindlichkeitseinstellung aufweist.
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Die Umstellung auf die Kalibrier- oder Meßphase erfordert bei dieser
Anordnung nur die Betätigung eines Schalters.
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Nach dem Abklingen der Eigenschwingungen steht das Meßergebnis zur
Verfügung. Die Eigenschaften der schwingungsfähigen Einrichtung in bezug auf die
Dämpfung der Eigenschwingungen bestimmen daher die Meßdauer. Bei der Füllstandsüberwachung
sind die Zeitkonstanten der Eigenschwingungen in der überwiegenden Zahl der Fälle
sehr klein gegenüber den Zeiträumen für eine merkliche Änderung der Füllstandshöhen.
Daher ermöglicht die Anordnung auch während der Füllstandshöhenänderung eine die
Höhe zum Betätigungszeitpunkt genau wiedergebende Messung.
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Vorzugsweise ist der ersten Torschaltung ein weiterer Speicher nachgeschaltet,
in den die von der Abtast- und Halteschaltung abgegebenen Signale während der Meßphase
eingebbar sind, wobei der Inhalt des weiteren Speichers nacheinander mit verschiedenen
Referenzzuständen entsprechenden Inhalten des ersten Speichers dem Rechenwerk zuführbar
ist. Bei dieser Anordnung können im ersten Speicher die Abklingcharakteristiken
zahlreicher Referenzzustände gespeichert sein. Diese Abklingcharakteristiken entsprechen
z.B. den verschiedenen Füllständen. Es kann beispielsweise den Füllstandsdifferenzen
von einigen Zentimetern jeweils eine Abklingcharakteristik zugeordnet sein. Mit
der vorstehend beschriebenen Anordnung wird in der Meßphase aus den gespeicherten
Referenzcharakteristiken diejenige bestimmt, die der gemessenen Abklingcharakteristik
am nächsten kommt. Diese ausgewählte Charakteristik bestimmt die Betätigung der
dem Rechenwerk
nachgeschalteten Einrichtungen, z.B. eines Relais
und/-oder einer Anzeigeeinrichtung.
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Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß
ein Taktgenerator über einen Frequenzteiler mit einer schwingungsfähigen Einrichtung
verbunden ist, deren Ausgang über einen Gleichrichter und einem Tiefpaß mit einem
Komparator verbunden ist, der in der Kalibrierphase bei erhöhter Schwellenspannung
mit einem Speicher verbunden und in der Meßphase über den Sperreingang einer Torschaltung,
deren zweiter Eingang an den Speicher angeschlossen ist, mit einem retriggerbaren
Monoflop verbunden ist, dessen Ausgang über einen Widerstand auf den zweiten Eingang
des Komparators rückgekoppelt ist. Diese Anordnung zeichnet sich durch einen sehr
einfachen konstruktiven Aufbau aus.
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Die schwingungsfähige Einrichtung ist vvorzugsweise ein elektromagnetisch
zum Schwingen anregbarer Stab, dessen Eigenschwingungen über eine Spule feststellbar
sind.
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Wenigstens ein Teil dieses Stabs kann aus einem Permanentmagneten
oder aus einem durch Gleichstrom magnetisierbaren Abschnitt bestehen.
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Zweckmäßigerweise ist die schwingungsfähige Einrichtung ein elektromagnetisch
zum Schwingen anregbarer Stab, dessen Eigenschwingungen durch ein Mikrofon feststellbar
sind oder ein piezoelektrisch anregbarer Stab, dessen Eigenschwingungen piezoelektrisch
feststellbar sind.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht die schwingungsfähige
Einrichtung aus einem Behälter, der elektromagnetisch oder piezoelektrisch zum Schwingen
anregbar ist und dessen Eigenschwingungen durch ein Mikrofon feststellbar sind.
Bei dieser Anordnung werden die
abklingenden Schall- oder Ultraschallschwingungen
eines das Füllgut enthaltenden Behälters zur FUllstandsfeststellung ausgenutzt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Zeitdiagramm einer exponentiell gedämpften harmonischen
Eigenschwingung einer zwei unabhängige Energiespeicher enthaltenden schwingungsfähigen
Einrichtung; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Feststellung der An-
oder Abwesenheit eines Stoffs an einem Detektor oder den Abstand zwischen Stoff
und Detektor; Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Anordnung zur Feststellung der
An- oder Abwesenheit eines Stoffs an einem Detektor der des Abstands zwischen Stoff
und Detektor; Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Schaltung, mit der die Schaltung
gemäß Fig. 1 erweitert wird.
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Der in Fig. 1 dargestellte zeitliche Verlauf der Eigenschwingung ergibt
sich beispielsweise bei einer schwingungsfähigen Einrichtung, die aus einer Masse
und einer Feder besteht, an deren Ende die Masse befestigt ist. Die Bewegung der
Masse wird weiterhin durch eine Dämpfung beeinfluß, bei der es sich um die Reibung
und um sonstige nichtumkehrbare Energieumsätze handeln kann. Eine an einem Federglied
aufgehängte Masse eignet sich als Detek-
tor zur Feststellung der
An- oder Abwesenheit eines Stoffs am Detektor, da die Dämpfung der Bewegung der
Masse mit und ohne Anwesenheit des Stoffs unterschiedlich ist. Die Schwingung der
Masse wird mit einer Einrichtung überwacht, , die eine elektrische Ausgangsgröße
ausgibt.
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Bei einer derartigen Einrichtung kann es sich um ein Mikrofon handeln.
Der Verlauf gemäß Fig. 1 stellt sich bei schwacher Dämpfung ein, wenn die Masse
beispielsweise in Luft schwingt.
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Dieser Fall wird als ein Referenzzustand ausgenutzt. Nachdem die Masse
beispielsweise über eine piezoelektrische oder magnetorestriktive Anregung der Feder
in Schwingungen versetzt ist, werden anschließend während der Eigenschwingungen
der Masse in Luft in periodischen Zeitabständen t1, t2, t3, t4 und t5 die Ausschläge
A1, A2, A3> A4 und A5 gemessen und als Referenzwerte für die Abwesenheit des
Stoffs von der Masse gespeichert. Unter Stoff soll hierbei irgendeine flüssige oder
aus rieselfähigen Partikeln bestehende Substanz verstanden werden, deren Niveau
durch die Masse festgelegt wird. Mit der Masse wird also eine Grenzniveauüberwachung
durchgeführt. Die Referenzwerte A1 bis A5 charakterisieren einen Zustand, bei dem
die Masse nicht von dem zu überwachenden Stoff umgeben ist.
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Ein zweiter Referenzzustand liegt dann vor, wenn die Masse in den
Stoff eingetaucht ist. Bei diesem Referenzzustand wird die Masse ebenfalls kurzzeitig
in Schwingungen versetzt. Nach dem Wegfall der die Schwingungen anregenden Kraft
werden die Eigenschwingungen in den gleichen periodischen Zeitabständen tl, t2,
t3, t4 und t5 abgetastet. Die Abtastperiode wird im allgemeinen nicht mit der Periode
der exponentiell gedämpften harmonischen Eigenschwingung Ubereinstimmen. Die Periodendauer
muß so gewählt werden, daß durch die Anzahl der Meßwerte der
Verlauf
der abklingenden Schwingung mit hinreichender Deutlichkeit bestimmt wird. Die beim
zweiten Referenzzustand der Masse erhaltenen Meßwerte, die wegen der Schwingungen
der Masse im Stoff kleiner als die Ausschläge A1 bis A5 sein werden, werden ebenfalls
als Referenzwerte abgespeichert. Mit der Abspeicherung der bei An- und Abwesenheit
des Stoffs an der Masse gewonnenen Referenzwerte der Eigenschwingung ist die Kalibrierphase
beendet.
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Danach werden die Referenzwerte in den Meßphasen verwendet. Eine Meßphase
setzt ebenso wie eine Kalibrierphase die kurzzeitige Anregung der Masse voraus.
In der Meßphase soll anhand der Referenzwerte festgestellt werden, ob die Masse
vom Stoff umgeben ist oder nicht. Während der Dauer der Eigenschwingungen der Masse
werden ebenso wie in der Kalibrierphase mit der gleichen Abtastperiode und phasengleich
Meßwerte der Ausschläge der Schwingungen erfaßt. Diese Meßwerte werden mit den gespeicherten
Referenzwerten verglichen. Aus dem Vergleich ergibt sich, ob die Meßwerte mit den
Referenzwerten des ersten oder zweiten Referenzzustandes übereinstimmen. Es ist
auch möglich, die Meßwerte nur mit den Referenzwerten des einen Referenzzustands
zu vergleichen. Beispielsweise kann hierfür der erste Referenzzustand verwendet
werden, dessen Ausschläge A1 bis A5 in Fig. 1 dargestellt sind. Bei Ubereinstimmung
der Meßwerte mit den Referenzausschlägen A1 bis A5 ist die Masse nicht von Stoff
umgeben. Der Stoff hat also noch nicht das durch die Lage der Masse bestimmte Niveau
ereicht. Liegt keine Übereinstimmung vor, dann ist die Masse wenigstens teilweise
in den Stoff eingetaucht. Der Stoff hat demnach das von der Masse eingenommene Niveau
erreicht oder Uberschritten.
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Die schWingungsfähige Einrichtung ist zweckmäßigerweise an die jeweiligen
Gegebenheiten der Messung angepaßt.
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Wenn beispielsweise Füllstände kontinuierlich gemessen werden sollen,
wird statt einer an einer Feder aufgehängten Masse ein federnd elastischer Stab
verwendet, der je nach der FüllstandshUhe unterschiedlich lang mit dem Stoff bedeckt
ist. Der Stab ist an seinem einen Ende oder nahe an seinem einen Ende fest eingespannt
und wird piezoelektrisch, magnetostriktiv oder elektromagnetisch zum Schwingen angeregt.
Die Schwingungen können longitudinal oder transversal zur Stabachse erfolgen.
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In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer ersten Anordnung zur Feststellung
der An- oder Abwesenheit eines Stoffs an einem Detektor oder des Abstands zwischen
Stoff und Detektor dargestellt. Eine schwingungsfähige Einrichtung 1 enthält einen
federnd elastischen Stab 2, der in den nicht näher dargestellten Stoff eintaucht.
Mittels des Stabs 2 wird die Füllstandshöhe über die Eintauchtiefe festgestellt.
Der Stab 2 besteht beispielsweise aus magnetostriktivem Material. Er ist von einer
nicht dargestellten Spule umgeben, über die er mit Impulsen zum Schwingen angeregt
wird. Ferner weist er eine nicht dargestellte Empfängerspule auf, in der durch die
Schwingungen des Stabs 2 elektrische Signale induziert werden. Die Spule zum Anregen
der Schwingungen der Einrichtung 1 ist mit dem Ausgang eines Frequenzteilers 3 verbunden,
der an ein Steuerwerk 4 angeschlossen ist. Das Steuerwerk 4 wird von einem Taktgeber
5 gespeist, der eine konstant hochfrequente Taktschwingung erzeugt.
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Der Ausgang der Empfängerspule der schwingungsfähigen Einrichtung
1 ist an eine Abtast- und Haltevorrichtung 6 angeschlossen, die vom Steuerwerk 4
gesteuert wird. Die Abtast- und Halteschaltung 6 ist mit einem Analog-Digital-Wandler
7 verbunden, dessen Steuereingänge ebenfalls
an das Steuerwerk
4 gelegt sind. Die Ausgänge des Analog-Digital-Wandlers 7 sind an Eingänge einer
ersten Torschaltung 8 und einer zweiten Torschaltung 9 gelegt. Beide Torschaltungen
8 und 9 werden durch das Steuerwerk 4 betätigt.
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Der Torschaltung 8 ist ein nichtflüchtiger Speicher 10 nachgeschaltet,
dessen Adresseneingänge an eine Adressierschaltung 11 angeschlossen sind, deren
Inhalt durch das Steuerwerk 4 beeinflußt wird. Die Ausgänge der Torschaltung 9 und
des Speichers 10 sind je mit Eingängen eines Rechenwerks 12 verbunden, dessen Ausgang
über eine Exclusiv-Oder-Schaltung 13 an ein Relais 14 angeschlossen ist.
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Der zweite Eingang der zwei Eingänge enthaltenden Schaltung 13 ist
an einen Schalter 15 gelegt, der die Umschaltung des Relais 14 vom Arbeitsstrombetrieb
in den Ruhestrombetrieb gestattet. Das Steuerwerk 4 ist mit Eingängen an drei weitere
Einstellschalter 16, 17, 18 angeschlossen. Mit den Schaltern 16 und 17 lassen sich
unterschiedliche Ansprechempfindlichkeiten erzielen. Der Schalter 18 dient zur Anweisung
der Einspeicherung der Meßwerte in den Speicher 10 und wird somit nur während der
Referenzphase betätigt. Der Frequenzteiler 3, das Steuerwerk 4, die Adressierschaltung
11, die Torschaltungen 8, 9, 13 und das Rechenwerk 12 sind vorzugsweise durch einen
Mikrocomputer realisiert.
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Wenn bei einem Referenzzustand die Abklingcharakteristik der Eigenschwingungen
der schwingungsfähigen Einrichtung erfaßt werden soll, wird der Schalter 18 betätigt.
Das Steuerwerk 4 gibt die Impulse des Taktgenerators 5 an den Frequenzteiler 3 weiter,
der gemäß seinem Teilerverhältnis einen Impuls zur Anregung der schwingungsfähigen
Einrichtung 1 erzeugt. Über diese wird der Stab 2 beispiels-
weise
in Transversalschwingungen versetzt. Die abklingenden Eigenschwingungen des Stabs
2 werden mit der Taktfrequenz in die Abtast- und Halteschaltung 6 eingegeben Und
über den Analog-Digital-Wandler 7 digitalisiert. Während der Kalibrierphase sperrt
das Steuerwerk 4 das Rechenwerk 12 und die Torschaltung 9, während die Torschaltung
8 geöffnet wird. Zugleich wird die Adressierschaltung 11 durch das Steuerwerk 4
fortlaufend weitergeschaltet, um die Aufnahme der vom Analog-Digital-Wandler ausgegebenen
Referenzwerte in aufeinanderfolgende Speicherplätze des Speichers 10 zu steuern.
Die im Speicher 10 enthaltenen Referenzwerte stehen für spätere Messungen zur Verfügung.
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Die Einspeicherung von Referenzwerten kann für verschiedene Referenzzustände
wiederholt werden.
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Nach dem Öffnen des Schalters 18 steht die in Fig. 2 dargestellte
Anordnung für die Messung von Zuständen bezugleich der An- oder Abwesenheit eines
Stoffs zur Verfügung. Während der Meßphase wird die Torschaltung 8 gesperrt. Das
Steuerwerk 4 betätigt die Adressierschaltung 11, öffnet die Torschaltung 9 und steuert
das Rechenwerk 12. Der Stab 2 wird in gleicher Weise wie in der Kalibrierphase zum
Schwingen angeregt. Die abklingenden Eigenschwingungen werden ebenfalls wie in der
Kalibrierphase gemessen und digitalisiert. Im Gegensatz zur Kalibrierphase gelangen
die digitalen Meßwerte nicht zum Speicher 10, sondern zum Rechenwerk 12. Die im
Speicher 10 enthaltenen Referenzwerte werden phasengleich in bezug auf die Eigenschwingung
des Stabs 2 mit den über die Torschaltung 9 geleiteten Meßwerten dem Rechenwerk
12 zugeführt. Das Rechenwerk 12 vergleicht die seinen Eingängen zugeführten Meß-
und Referenzwerte auf folgende Weise.
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Zunächst wird der jeweils abgetastete Meßwert von dem zugeordneten
gespeicherten Referenzwert subtrahiert. Die
Differenz wird danach
in einen Absolutwert umgewandelt.
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Die Absolutwerte der Differenzen werden aufsummiert. Die Summe wird
mit einem Bezugswert verglichen. Für die Summe der Absolutwerte der Differenzen
von Meßwerten und Referenzabtastwerten gilt die Beziehung
URk I Abtastwert des Referenzsignals UM - Abtastwert dou Meßsignals worin mit URk
die Referenzabtastwerte und mit UMk die Abtastwerte des Meßsignals bezeichnet sind.
Wenn das Rechenwerk 12 den Wert 0 ermittelt, dann stimmen Referenzwerte und Meßwerte
überein. Der Stab 2 hat demnach die gleiche Eigenschwingungscharakteristik, wie
dies bei der Referenzsignalabspeicherung der Fall war. Dies bedeutet, daß der Stab
2 nicht in den Stoff eintaucht, wenn, wie oben erläutert, die Referenzwerte bei
unbedecktem Stab gemessen wurden.
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Durch Meßfehler im Ausgangssignal der schwingungsfähigen Einrichtung
und der an diese angeschlossenen Meßkette können die Referenzwerte und die Meßwerte
geringfügig voneinander abweichen, obwohl die Eigenschwingungen gleich sind. Um
in diesem Fall kein falsches Ergebnis zu erhalten, wird die Summe der Referenzabtastwerte
mit einem Bewertungsfaktor L1 multipliziert, der zwischen den Werten null und eins
liegt. Zur Feststellung der Übereinstimmung zwischen Meß- und Referenzabtastwerten
wird folgender Vergleich vorgenommen:
Ll zu 0 1
Übereinstimmung zwischen den Referenzabtastwerten und
den Meßabtastwerten liegt vor, wenn die Summe kleiner als das Produkt aus dem Bewertungsfaktor
und der Summe der Reife renzabtastwerte ist. Mit L1 läßt sich auf einfache Art und
Weise die Ansprechempfindlichkeit festlegen.
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Taucht der Stab 2 in einen Behälter ein, der Vibrationen ausgesetzt
ist, dann kann die vorstehend erläuterte Bedingung erfüllt sein, obwohl der Stab
2 durch Eintauchen in den Stoff stärker gedämpfte Eigenschwingungen ausführt.
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Solche Vibrationen können beispielsweise von Rüttelsieben erzeugt
werden. Um in diesem Fall ein falsches Ergebnis zu verhindern, wird mit Hilfe des
Rechenwerks 12 eine weitere Prüfung durchgeführt. Die Prüfung besteht darin, daß
jeweils zwei aufeinanderfolgende Meßabtastwerte, nämlich der Kte und der K+lte Abtastwert
für alle K von 1 bis n als Absolutwerte voneinander subtrahiert werden.
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Die Differenz der Absolutwerte aufeinanderfolgender Meßabtastwerte
wird aufgerundet, und zwar auf den Wert 1, wenn die Differenz größer als null ist,
und auf den Wert 0, wenn die Differenz kleiner als null ist. Diese Differenzwerte
werden aufsummiert und mit einem Bezugswert verglichen. Wenn die Summe der Anzahl
der Abtastwerte entspricht, liegt eine gedämpfte Schwingung vor. Es gilt demnach
folgende Beziehung:
wobei
| a Ixl p1 fÜt X » o |
| 10 fW xO |
ist. Hierbei sind die Meßabtastwerte mit UMk und die Differenz
der Absolutwerte mit -1 bezeichnet.
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Um durch Rauscheffekte, wie z.B. Quantisierungsfehler, verursachte
Fehler zu beseitigen, wird ein Korrekturfaktor L2 eingeführt. Es muß dann die Bedingung
erfüllt sein, wenn keine Eigenschwingung vorhanden ist.
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Ist auch die letztere Bedingung nicht verfüllt, dann wird das Ausgangssignal
des Rechenwerks 12 der Exclusiv-Oder-Schaltung 13 zugeführt. Bei Übereinstimmung
zwischen Meß-und Referenzabtastwerten ist das Ausgangssignal null oder ungefähr
null. Das Relais 14 wird also nicht betätigt.
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Übersteigt das Ausgangssignal die Schwelle
dann taucht der Stab 2 in den Stoff ein. Ein entsprechendes Ausgangssignal wird
über die Exclusiv-Oder-Schaltung 13 zum Relais 14 weitergeleitet und regt dieses
an. Über das Relais 14 kann eine optische oder akustische Meldung erzeugt werden.
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Analog dazu kann die in Fig. 2 gezeigte Anordnung für die Feststellung
der An- oder Abwesenheit eines Stoffs an Stab 2 benutzt werden, wobei die Abklingcharakteristik
der Eigenschwingung für den mit Stoff bedeckten Stab 2 gespeichert und mit den Meßwerten
verglichen wird.
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Durch eine Ergänzung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, kann die Anordnung
gemäß Fig. 2 auch für die kontinuierliche Messung des Niveaus verwendet werden.
Gleiche Elemente in den Fig. 2 und 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Torschaltung 9 ist gemäß Fig. 4 nicht direkt, sondern über einen weiteren, nichtflüchtigen
Speicher 19 an die Eingänge des Rechenwerks 12 angeschlossen.
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Beide Speicher 10 und 19 werden über die Adressierschaltung 11 angesteuert.
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In der Kalibrierphase werden in den Speicher 10 für zahlreiche Referenzzustände
die jeweiligen Abklingcharakteristiken der Eigenschwingungen des Stabs 2 eingegeben.
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Als Referenzzustände werden z.B. Füllstandshöhen in einem Behälter
eingegeben, die sich jeweils um einen bestimmten Betrag voneinander unterscheiden.
Je nach der gewünschten Genauigkeit werden beispielsweise Füllstandshöhen erfaßt,
die sich jeweils um 1 cm, 10 cm, 20 cm usw. voneinander unterscheiden. In der Meßphase
wird die Abklingcharakteristik der Eigenschwingungen zunächst in den Speicher 19
eingegeben, dessen Kapazität im Gegensatz zum Speicher 10 nur für die Abtastwerte
einer Abklingcharakteristik bemessen sein muß. Die im Speicher 10 enthaltenen Abklingcharakteristiken
werden mit der Abklingcharakteristik des Speichers 19 verglichen, bis nach den oben
erläuterten Kriterien Übereinstimmung festgestellt wurde. Die den ermittelten Referenzzustand
entsprechende Füllstandshöhe wird über eine digitale oder analoge Anzeige ausgegeben.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist die schwingungsfähige
Einrichtung 1,2 eingangsseitig mit einem Frequenzteiler 22 an einen Taktgeber 23
angeschlossen, der Taktimpulse mit konstanter Frequenz erzeugt. Der Taktgenerator
23 ist mit einem Adreßzähler 24 verbunden, der einen Speicher 25 steuert. An den
Ausgang der schwingungs-
fähigen Einrichtung 1 ist ein Gleichrichter
26 angeschlossen, der an einen Tiefpaß 41 angeschlossen ist, der mit einem Eingang
eines Komparators 27 in Verbindung steht.
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Der Ausgang des Komparators 27 ist an einen Eingang eines UND-Glieds
28 und an einen Eingang einer Torschaltung 29 gelegt. Dem UND-Glied 28 ist der Eingang
des Speichers 25 nachgeschaltet. Die Torschaltung 29 speist den Sperreingang einer
Torschaltung 30, deren zweiter Eingang an den Ausgang des Speichers 25 angeschlossen
ist. Der Ausgang der Torschaltung 30 ist an ein retriggerbares Monoflop 31 angeschlossen,
das einerseits mit dem Eingang eines Ex-Or-Glieds 32 und andererseits über einen
Widerstand 33 mit dem zweiten Eingang des Komparators 27 verbunden ist. Der zweite
Eingang des Ex-Or-Glieds 32 ist an einen Schalter 34 gelegt. Der Ausgang des Ex-Or-Glieds
steht mit einem Relais 35 in Verbindung.
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Ein Schalter 36, der in der Kalibrierphase geschlossen wird, steht
mit einem Eingang des UND-Glieds 28, dem Sperreingang der Torschaltung 29 und dem
Mittelabgriff eines aus zwei Widerständen 37,38,bestehenden Spannungsteilers in
Verbindung. Der Widerstand 37 ist weiterhin mit dem zweiten Eingang des Komparators
27 verbunden. Der Widerstand 38 ist mit dem zweiten Anschluß an Masse gelegt. Der
zweite Eingang des Komparators 27 ist über einen weiteren Widerstand 39 an Masse
und über einen weiteren Widerstand 40 an positives Potential gelegt.
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Der Taktgenerator 23 steuert über den Frequenzteiler 22 die Anregung
des Stabs 2. Wenn der Schalter 36 geschlossen ist, wird mit jedem Impuls eine andere
Speicherzelle des Speichers 25 adressiert. Die abklingende Eigenschwingung des Stabs
wird gleichgerichtet, gesiebt und steht am ersten Eingang des Komparators 27 an.
Bei betätigtem Schalter 36 wird dem zweiten Eingang eine höhere Schwel-
lenspannung
als in der Meßphase zugeführt. Wenn das Signal der gleichgerichteten Schwingung
unter die am zweiten Eingang des Komparators herrschende Schwellenspannang absinkt,
wechselt der Komparator 27 sein Ausgangssignal.
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In der Kalibrierphase ist das UND-Glied 28 durchlässig, d.h. es werden
im Takte der Impulse des Taktgebers 23 so lange binäre Einsen in den Speicher 25
eingegeben, bis das Ausgangssignal des Komparators 27 wechselt. Anschließend werden
die restlichen Speicherzellen mit binären Nullen belegt.
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In der Meßphase ist bei offenem Schalter 36 das UND-Glied 28 gesperrt
und die Torschaltung 29 durchlässig. Die Schwellenspannung am zweiten Eingang des
Komparators 27 ist geringer. Die Differenz der Schwellenspannungen in der Kalibrier-
und Meßphase ist für die Ansprechempfindlichkeit bestimmend. Über die Torschaltung
30 werden die vom Komparator 27 abgegebenen Signale mit den Ausgangssignalen des
Speichers 25 verglichen. Wenn das Ausgangssignal des Komparators 27 vor dem Ausgangssignal
des Speichers 25 null wird, dann erhält das Monoflop 31 einen Triggerimpuls. Das
Monoflop betätigt über das Ex-Or-Glied 32 das Relais 35 und erhöht über den Widerstand
33 die Komparatorschwelle, um eine Hysterese einzuführen.
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Mit den oben beschriebenen Maßnahmen lassen sich auch die Eigenschwingungscharakteristiken
für diejenigen Fälle ermitteln, bei denen der Stoff in einem gewissen Abstand vom
Detektor angeordnet ist. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Dämpfung
in diesem Abstand anders ist als bei den anderen Abständen. Besonders geeignet ist
hierfür ein Behälter, der bei unterschiedlichen Füllstandshöhen unterschiedliche
Abklingcharakteristiken zeigt. Bei nur geringen Abmessungen der schwingungsfähigen
Einrichtung eignet sich diese mehr für die Feststellung der An- oder Abwesenheit
des Stoffs.
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