DE4008135A1 - Vorrichtung zur feststellung und/oder ueberwachung eines vorbestimmten fuellstands in einem behaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter mit einem auf der Höhe des vorbestimmten Füllstands montierten Sensor, der eine Membran aufweist, die mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn das Füllgut im Behälter den vorbestimmten Füllstand erreicht oder übersteigt, sowie einen elektromechanischen Erregungswandler, der bei Speisung mit einer elektrischen Spannung die Membran in Schwingungen ver­ setzt, und einen elektromechanischen Empfangswandler, der die Schwingungen der Membran in eine elektrische Wechsel­ spannung umsetzt, und mit einer Auswerteschaltung zur Auslö­ sung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Frequenz, der Phase oder der Amplitude der vom Emp­ fangswandler abgegebenen Wechselspannung.

Vorrichtungen dieser Art sind aus der GB-PS 15 31 729 und aus der DE-OS 26 32 297 bekannt. Bei diesen bekannten Vor­ richtungen ist an der Stelle des Behälters, an der der Sen­ sor montiert ist, in die Behälterwand eine Öffnung einge­ bracht, in der die Membran des Sensors, die eine geringere Dicke als die Behälterwand hat, so befestigt ist, daß sie von dem Füllgut im Behälter berührt wird, wenn der Füllstand die Höhe des Sensors erreicht oder übersteigt. Diese bekann­ ten Lösungen verursachen mehrere Probleme. Oft ist es uner­ wünscht oder, beispielsweise im Fall explosiver Füllgüter, sogar unzulässig, die Behälterwand zu durchbrechen. Ferner muß die Öffnung nach dem Einbau des Sensors wieder druck­ dicht verschlossen werden. Vor allem ist es schwierig, einen Sensor nachträglich an einem bereits vorhandenen und in Be­ trieb befindlichen Behälter zu montieren, denn zum Durch­ brechen der Behälterwand muß der Behälter entleert werden. Schließlich ist eine solche Durchbrechung der Behälterwand bei Behältern, die Lebensmittel enthalten, wegen der stren­ gen Hygiene-Anforderungen mit einem erhöhten Reinigungsauf­ wand verbunden.

Aus der DE-OS 27 43 394 ist es auch bereits bekannt, einen Füllstandsensor auf der Höhe des vorbestimmten Füllstands an der Außenseite des Behälters zu befestigen, ohne daß eine Öffnung in der Behälterwand benötigt wird. In diesem Fall handelt es sich aber nicht um einen Membransensor, sondern um einen Schall- oder Ultraschall-Echolotsensor, der Schall- oder Ultraschallimpulse durch die Behälterwand schickt und die von der gegenüberliegenden Behälterwand reflektierten Echoimpulse empfängt. Die Befestigung des Echolotsenders ge­ schieht mit Hilfe eines um den Behälter gelegten Spannbandes.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, die keine Öffnung in der Behälterwand erfordert.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Mem­ bran durch einen Bereich der Behälterwand gebildet ist, der durch einen an der Außenseite des Behälters angebrachten, in schwingungsmechanischer Verbindung mit der Behälterwand ste­ henden Ring oder Rahmen abgegrenzt ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein durch einen Ring oder Rahmen von verhältnismäßig großer Masse abgegrenz­ ter Bereich einer Behälterwand die Funktion einer Biege­ schwingungen ausführenden Membran übernehmen kann. Natürlich muß die Flächenausdehnung des abgegrenzten Membranbereichs im Verhältnis zur Dicke der Behälterwand ausreichend groß sein, damit sich der abgegrenzte Bereich wie eine Membran verhalten kann. Der abgegrenzte Bereich kann dann wie eine Membran in Schwingungen versetzt werden, wobei sich der in engem Kontakt mit dem Ring oder Rahmen stehende Umfangsbe­ reich wie eine nahezu feste Einspannung des Membranrandes verhält, da er wegen der großen Masse des Rings oder Rahmens nicht schwingen kann. Demzufolge wird auch nur ein geringer Anteil der Schwingungsenergie zu den außerhalb des Rings oder Rahmens liegenden Bereichen der Behälterwand übertragen.

Da ein Bereich der Behälterwand die Funktion der Membran übernimmt, ist keine Durchbrechung der Behälterwand für die Montage einer getrennten Membran erforderlich. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher auch für Anwen­ dungsfälle, in denen eine Durchbrechung der Behälterwand un­ erwünscht oder sogar unzulässig ist, und sie kann problemlos an bereits vorhandenen Behältern montiert werden, ohne daß diese hierfür entleert werden müssen. Ferner bestehen keine Abdichtungsprobleme.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für die Fest­ stellung oder Überwachung des Füllstands sowohl von flüssi­ gen als auch von festen Füllgütern. Bei der Überwachung des Füllstands von Flüssigkeiten wird vorzugsweise der abge­ grenzte Membranbereich zu Schwingungen bei einer Eigenreso­ nanzfrequenz angeregt, und zur Füllstandserkennung wird die Frequenz und/oder die Phase der Schwingungen ausgewertet. Die Eigenresonanzfrequenz und die Phase des Membranbereichs än­ dert sich nämlich, wenn er von der Flüssigkeit berührt wird, weil dann ein Teil der angrenzenden Flüssigkeitsmenge mit­ schwingt, wodurch die schwingende Masse vergrößert wird. Die gesamte Frequenzverschiebung wird außer von der mitschwin­ genden Flüssigkeitsmenge auch von viskosen Dämpfungskräften, die von der Flüssigkeit auf den Membranbereich ausgeübt wer­ den, verursacht. Bei körnigen, pulverförmigen oder anderen Feststoff-Füllgütern wird dagegen zur Füllstandserkennung die Amplitude der Schwingungen ausgewertet, weil solche Füllgüter die Schwingungen des abgegrenzten Membranbereichs dämpfen, wenn sie mit diesem in Berührung kommen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Behälter mit zwei Vorrichtungen zur Feststel­ lung und/oder Überwachung eines maximalen und eines minimalen Füllstands,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Sensor einer der beiden Vor­ richtungen von Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Sensor von Fig. 2 nach der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem Füll­ stand und der Eigenresonanzfrequenz des Membranbe­ reichs des Sensors von Fig. 2 und 3,

Fig. 5 die Amplituden-Frequenz-Kennlinien des Sensors von Fig. 2 und 3 bei zwei verschiedenen Füllständen im Behälter,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform des Sensors,

Fig. 7 die Befestigung eines Teils des Sensors von Fig. 6 an der Behälterwand,

Fig. 8 eine zum Teil geschnittene Ansicht der oberen Rah­ menteile des Sensors von Fig. 6,

Fig. 9 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Dar­ stellung der einen seitlichen Rahmenleiste des Sen­ sors von Fig. 6,

Fig. 10 eine teilweise aufgeschnittene Vorderansicht eines Teils der Rahmenleiste von Fig. 9,

Fig. 11 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Dar­ stellung der anderen seitlichen Rahmenleiste des Sensors von Fig. 6 und

Fig. 12 bis 14 graphische Darstellungen zur Erläuterung der mit dem Sensor erzielten Wirkung.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 10, der bis zu einer Höhe H mit einem flüssigen Füllgut 11 gefüllt ist. Die Höhe H des Füll­ guts im Behälter 10 ist der Füllstand. Der Füllstand soll einen Minimalwert H_min nicht unterschreiten und einen Maxi­ malwert H_max nicht überschreiten. Zur Überwachung des maxi­ malen Füllstands ist an der Wand 12 des Behälters 10 auf der Höhe H_max ein Füllstandssensor 14 angebracht, der mit einer zugehörigen Erregungs- und Auswerteschaltung 15 verbunden ist, und zur Überwachung des minimalen Füllstands ist an der Behälterwand 12 auf der Höhe H_min ein Füllstandssensor 16 angebracht, der mit einer zugehörigen Erregungs- und Auswer­ teschaltung 17 verbunden ist. Jeder Füllstandssensor 14, 16 ist so ausgebildet, daß er zur zugehörigen Erregungs- und Auswerteschaltung 15 bzw. 17 ein elektrisches Signal liefert, das anzeigt, ob sich im Behälter auf der Höhe des Sensors Füllgut befindet oder nicht.

Der Sensor 14 ist in den Fig. 2 und 3 in näheren Einzel­ heiten dargestellt. Die beiden Sensoren 14 und 16 sind völ­ lig gleich ausgebildet; die folgende Beschreibung des Sen­ sors 14 gilt daher in gleicher Weise auch für den Sensor 16. Die Besonderheit dieser Sensoren besteht darin, daß sie vollständig an der Außenseite des Behälters 10 angeordnet sind und für ihre Funktion keine Öffnung in der Behälterwand erfordern.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Abschnitt der Behälterwand 12 mit dem darauf montierten Sensor 14, wobei angenommen ist, daß die Behälterwand 12 eben ist. Auf der Außenseite der Be­ hälterwand 12 ist ein Metallring 20 in kraftschlüssiger Ver­ bindung befestigt, so daß er in schwingungsmechanischer Ver­ bindung mit der Behälterwand 12 steht. Bei dem dargestellten Beispiel ist die kraftschlüssige Verbindung dadurch herge­ stellt, daß an der Behälterwand 12 mehrere Gewindebolzen 21 angebracht sind, die durch Bohrungen im Metallring 20 ragen. Die Gewindebolzen 21 können an der Behälterwand 12 durch Punktschweißung oder auf andere Weise befestigt sein. Durch Muttern 22, die auf die Gewindebolzen 21 aufgeschraubt sind, ist der Metallring 20 fest gegen die Behälterwand 12 gepreßt. Durch den Metallring 20 ist ein kreisförmiger Bereich 24 der Behälterwand 12 abgegrenzt, der als Membran des Sensors dient.

Um eine definierte Abgrenzung der Membranfläche auf der Be­ hälterwand zu erreichen, ist die der Behälterwand 12 zuge­ wandte Stirnseite des Metallrings 20 leicht nach außen ange­ schrägt, so daß der Metallring 20 nur mit der Innenkante an der Behälterwand 12 anliegt. Dies ist in Fig. 3 zur Verdeut­ lichung übertrieben dargestellt; der Winkel zwischen der Behälterwand 12 und der Stirnseite des Metallrings 20 ist in Wirklichkeit sehr viel kleiner, beispielsweise in der Grö­ ßenordnung von 0,1°.

Damit die auf diese Weise definierte Membran mit einer aus­ reichend niedrigen Arbeitsfrequenz betrieben werden kann, muß der Durchmesser des abgegrenzten Bereichs 24, also der Innendurchmesser des Metallrings 20, groß gegen die Dicke d der Behälterwand sein. Beispielsweise kann die Arbeitsfre­ quenz etwa 5 kHz betragen, wenn bei einer Behälterwanddicke d von 2,5 mm der Membranbereich 24 einen Durchmesser D von etwa 60 mm hat.

Auf dem Metallring 20 ist eine sich in vertikaler Richtung diametral erstreckende Brücke 25 befestigt. Die Brücke 25 besteht aus einem steifen Metallteil, das an jedem Ende eine Bohrung aufweist. Mit diesen Bohrungen ist die Brücke 25 auf zwei einander diametral gegenüberliegende Gewindebolzen 21 aufgesteckt, so daß sie durch die auf diese Gewindebolzen 21 aufgeschraubten Muttern 22 auf dem Metallring 20 festgehal­ ten wird.

Zwischen der Brücke 25 und dem Membranbereich 24 ist nahe dem Metallring 20 ein Erregungswandler 30 angeordnet, der in der Lage ist, bei Erregung durch eine elektrische Wechsel­ spannung den Membranbereich 24 in Schwingungen zu versetzen. Als Beispiel ist angenommen, daß der Erregungswandler 30 durch einen Stapel von Piezoelementen 31 gebildet ist, der zwischen dem Membranbereich 24 und einem Andruckplättchen 32 eingespannt ist. Eine Madenschraube 33, die in eine Gewinde­ bohrung in der Brücke 25 eingeschraubt ist, wirkt auf das Andruckplättchen 32 ein, um eine gewisse Vorspannung des Piezostapels auf dem Membranbereich zu erzielen. Mit Hilfe der Madenschraube 33 kann die Kraft eingestellt werden, mit der der Piezostapel an den Membranbereich 24 angedrückt wird.

Jedes Piezoelement 31 des Stapels besteht in bekannter Weise aus einem zwischen zwei Elektroden angeordneten scheibenför­ migen Piezokristall. Beim Anlegen einer elektrischen Span­ nung an die beiden Elektroden ändert sich die Dicke des Pie­ zokristalls in Abhängigkeit von der Spannung. Die Piezoele­ mente 31 sind elektrisch parallelgeschaltet, so daß sich ihre Dicken beim Anlegen einer elektrischen Spannung gleich­ sinnig ändern, und sie sind mechanisch in Serie geschaltet, so daß sich ihre Dickenänderungen addieren. Somit ändert sich die axiale Länge des Piezostapels in Abhängigkeit von der an die Piezoelemente 31 angelegten elektrischen Spannung. Da der Piezostapel am einen Ende durch die Brücke 25 über die Madenschraube 33 festgehalten ist, wirken sich die Län­ genänderungen des Piezostapels auf den Membranbereich 24 aus, der entsprechend mechanisch verformt wird. Die Schwingungs­ amplitude des Membranbereichs liegt je nach der Dicke d der Behälterwand in der Größenordnung von wenigen µm.

In der Mitte des Membranbereichs 24 ist zwischen der Brücke 25 und dem Membranbereich 24 ein Empfangswandler 40 angeord­ net, der auf mechanische Schwingungen des Membranbereichs anspricht und diese in eine elektrische Spannung umwandelt. Als Beispiel ist angenommen, daß der Empfangswandler 40 in gleicher Weise wie der Erregungswandler 30 als piezoelektri­ scher Wandler ausgebildet ist. Anders als beim Erregungs­ wandler 30 genügt jedoch für den Empfangswandler 40 ein ein­ ziges Piezoelement 41. Zwischen dem Piezoelement 41 und einem Andruckplättchen 42, auf das eine Madenschraube 43 einwirkt, ist eine zylindrische Silikonmasse 44 eingefügt. Die Maden­ schraube 43 ist in eine Gewindebohrung in der Brücke 25 ein­ geschraubt und übt über das Andruckplättchen 42 und die Si­ likonmasse 44 auf das Piezoelement 41 eine Kraft aus, durch die es in Anlage an dem Membranbereich 24 gehalten wird. Da­ bei wirkt die Silikonmasse 44 als elastisches Federelement. Die Verwendung einer Silikonmasse anstelle einer metalli­ schen Druckfeder, beispielsweise einer Schraubenfeder, er­ weist sich als vorteilhaft, weil die Silikonmasse eine nicht­ lineare, progressiv ansteigende Federkennlinie und eine ge­ wisse innere Dämpfung besitzt.

Der Erregungswandler 30 ist an einen Ausgang der Erregungs- und Auswerteschaltung 15 angeschlossen, und der Empfangs­ wandler 40 ist mit einem Eingang der Erregungs- und Auswer­ teschaltung 15 verbunden. Die Erregungs- und Auswerteschal­ tung legt an den Erregungswandler 30 eine Spannung an, die zur Folge hat, daß der Erregungswandler 30 auf den von ihm berührten Teil des Membranbereichs 24 wechselnde Kräfte aus­ übt, die senkrecht zu der Ebene des Membranbereichs gerich­ tet sind. Dadurch wird der Membranbereich in Biegeschwingun­ gen versetzt. Infolge der Biegeschwingungen werden auf den in der Mitte angeordneten Empfangswandler 40 Kräfte ausgeübt, die von diesem in eine elektrische Wechselspannung umgewan­ delt werden, die der Erregungs- und Auswerteschaltung 15 zu­ geführt wird.

Die Anordnung des Empfangswandlers 40 in der Mitte des Mem­ branbereichs 24 ist am günstigsten, weil dort die Biege­ schwingungsamplitude für den Grundschwingungsmodus am größ­ ten ist, während die Biegeschwingungsamplitude für alle ge­ radzahligen höheren Schwingungsmoden im wesentlichen Null ist. Die Anordnung des Empfangswandlers 40 an dieser Stelle ergibt daher die größte Empfindlichkeit für den Grundschwin­ gungsmodus, während andere Moden weitgehend unterdrückt wer­ den. Dagegen ist die Anordnung des Erregungswandlers 30 im Randbereich am günstigsten, weil dort nur kleine Schwingungs­ amplituden auftreten. Dies ermöglicht die für die Schwin­ gungsanregung erforderliche starre Vorspannung des Erregungs­ wandlers 30.

Wenn das Füllgut im Behälter eine Flüssigkeit ist, hängt die Eigenresonanzfrequenz des Membranbereichs davon ab, ob der Membranbereich 24 auf der Innenseite der Behälterwand 12 von der Flüssigkeit bedeckt ist oder nicht. Während bei unbedeck­ tem Membranbereich die schwingende Masse allein durch die Masse des Membranbereichs bestimmt ist, schwingt bei bedeck­ tem Membranbereich ein Teil der an den Membranbereich an­ grenzende Flüssigkeitsmasse mit. Die Masse des schwingenden Systems ist daher bei bedecktem Membranbereich größer, und dementsprechend ist die Eigenresonanzfrequenz niedriger. Eine zusätzliche Dämpfung infolge der Viskosität des Füllguts vergrößert die Frequenzänderung.

Das Diagramm von Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Füllstand im Behälter und der Eigenresonanzfrequenz des Mem­ branbereichs 24. Dabei ist der Füllstand auf der Ordinate aufgetragen, da dies den räumlichen Verhältnissen entspricht, denn der Füllstand wird in vertikaler Richtung gemessen. Der Punkt A entspricht dem tiefsten Punkt des Membranbereichs 24 und der Punkt B dem höchsten Punkt des Membranbereichs. Der Abstand zwischen den Punkten A und B entspricht dem Durch­ messer D des Membranbereichs. Die beiden Punkte A und B sind auch in den Fig. 2 und 3 in der gleichen Weise bezeichnet.

Die im Diagramm von Fig. 4 angegebenen Frequenzen entspre­ chen einem praktischen Ausführungsbeispiel mit den zuvor an­ gegebenen Abmessungen, also einer Behälterwanddicke d von 2,5 mm und einem Durchmesser D des Membranbereichs von 60 mm. Wenn der Füllstand im Behälter 10 über dem höchsten Punkt B des Membranbereichs 24 liegt, hat der Membranbereich 24 eine Eigenresonanzfrequenz von etwa 4,1 kHz, die sich in Abhängig­ keit vom Füllstand nicht weiter ändert. Wenn der Füllstand im Behälter 10 unter dem tiefsten Punkt A des Membranbe­ reichs 24 liegt, hat der Membranbereich 24 eine Eigenreso­ nanzfrequenz von etwa 5,3 kHz, die sich ebenfalls in Abhän­ gigkeit vom Füllstand nicht weiter ändert. Zwischen diesen beiden Frequenzwerten liegt ein beträchtlicher Frequenzab­ stand von etwa 1,2 kHz, der sehr deutlich erkennen läßt, ob sich der Füllstand im Behälter 10 oberhalb oder unterhalb des Membranbereichs des Sensors befindet.

Wenn sich der Füllstand zwischen den beiden Punkten A und B befindet, der Membranbereich 24 also teilweise vom Füllgut bedeckt ist, hängt die Eigenresonanzfrequenz sehr stark vom Bedeckungsgrad ab. Verringert man beispielsweise den Füll­ stand von einer oberhalb des höchsten Punktes B liegenden Stelle, so ändert sich nach dem Unterschreiten des Punktes B die Eigenresonanzfrequenz zunächst wenig, solange der Füll­ stand noch in der oberen Randzone des Membranbereichs liegt. In der mittleren Zone des Membranbereichs 24 erfolgt dagegen eine schnelle Änderung der Eigenresonanzfrequenz, wobei die Frequenzkurve etwa in der Mitte des Membranbereichs einen Wendepunkt W hat. In der unteren Randzone des Membranbereichs erreicht die Eigenresonanzfrequenz nahezu den der unbedeck­ ten Membran entsprechenden Wert, so daß sie sich nur noch sehr wenig ändert. Den gleichen Frequenzverlauf erhält man natürlich in umgekehrter Richtung, wenn der Füllstand von einer unterhalb des Membranbereichs 24 liegenden Stelle all­ mählich erhöht wird.

Das Diagramm von Fig. 5 zeigt die vom Empfangswandler 40 festgestellte Schwingungsamplitude, wenn die Frequenz der an den Erregungswandler 30 angelegten Wechselspannung im Be­ reich von 0 bis 10 kHz geändert wird. Dabei entspricht die Kurve A dem Fall, daß der Füllstand im Behälter 10 oberhalb des Sensors 14 steht, so daß der Membranbereich 24 vollstän­ dig vom Füllgut bedeckt ist, während die Kurve B dem Fall entspricht, daß der Füllstand im Behälter 10 unterhalb des Behälters 14 steht, der Sensor 14 also nicht vom Füllgut be­ rührt wird. Die Kurve A hat ein ausgeprägtes Maximum bei der Frequenz von etwa 4,1 kHz, die der Eigenresonanzfrequenz bei bedecktem Membranbereich 24 entspricht, und die Kurve B hat ein ausgeprägtes Maximum bei der Frequenz von etwa 5,3 kHz, die der Eigenresonanzfrequenz bei unbedecktem Membranbereich 24 entspricht. Bei teilweise bedecktem Membranbereich 24 liegt das Maximum der Kurve zwischen diesen beiden Frequenz­ werten an einer Stelle, die für jeden Füllstand dem Diagramm von Fig. 4 zu entnehmen ist.

Aus den Diagrammen von Fig. 4 und 5 ergeben sich für den Durchschnittsfachmann aufgrund seiner Fachkenntnisse ver­ schiedene Möglichkeiten für die Ausbildung der Erregungs- und Auswerteschaltung 15. Beispielsweise kann die in der Er­ regungs- und Auswerteschaltung enthaltene Wechselspannungs­ quelle so ausgebildet sein, daß die Frequenz der an dem Er­ regungswandler 30 angelegten Wechselspannung periodisch in einem Bereich verändert wird, der alle vorkommenden Reso­ nanzfrequenzen enthält. Die Erregungs- und Auswerteschaltung 15 enthält dann ferner einen Spitzenwertdetektor, der das Maximum des Ausgangssignals des Empfangswandlers 40 erkennt, sowie einen Frequenzdiskriminator, der feststellt, bei wel­ cher Frequenz der Erregungswechselspannung dieses Maximum auftritt. Aus dem Diagramm von Fig. 4, das zuvor für den be­ treffenden Füllstandsensor aufgenommen und beispielsweise in Form einer Tabelle abgespeichert ist, kann dann der festge­ stellten Frequenz der entsprechende Füllstand zugeordnet werden.

Eine andere Ausbildung der Erregungs- und Auswerteschaltung 15 besteht darin, daß die Frequenz der Erregungswechselspan­ nung stets gleich der Resonanzfrequenz des Membranbereichs 24 gehalten wird. Dies kann in einer allgemein bekannten Weise dadurch erfolgen, daß der Empfangswandler 40 mit dem Erregungswandler 30 über einen Verstärker in einem rückge­ koppelten Selbsterregungskreis verbunden ist. In diesem Fall braucht nur noch durch einen in der Erregungs- und Auswerte­ schaltung 15 enthaltenen Frequenzdiskriminator die sich von selbst einstellende Selbsterregungsfrequenz festgestellt zu werden.

Weiterhin kann die Erregungs- und Auswerteschaltung 15 auch so ausgebildet sein, daß die Erregung des Erregungswandlers 30 durch Gleichstromimpulse erfolgt. Bekanntlich enthält ein Gleichstromimpuls ein Frequenzspektrum, dessen Ausdehnung von der Impulsbreite abhängt. Wenn die Impulsbreite so be­ messen ist, daß die vorkommenden Resonanzfrequenzen des Mem­ branbereichs 24 im Frequenzspektrum enthalten sind, wird der Membranbereich 24 zu Biegeschwingungen bei seiner Resonanz­ frequenz angeregt. Das Ausgangssignal des Empfangswandlers 40 ist dann nach jedem Erregungsimpuls ein abklingender Schwingungszug, dessen Frequenz der Resonanzfrequenz ent­ spricht und wieder durch einen Frequenzdiskriminator festge­ stellt werden kann.

Der beschriebene Sensor ermöglicht auch eine andere Auswer­ tung der füllstandsabhängigen Änderung der Eigenresonanzfre­ quenz, die ohne Kalibrierung mit guter Genauigkeit anzeigt, ob der Füllstand beim Füllen oder Entleeren des Behälters die Mitte der Membran über- oder unterschreitet. Hierfür wird die zuvor erwähnte Tatsache ausgenutzt, daß die Frequenzkur­ ve von Fig. 4 an einer bestimmten Stelle des Membranbereichs den Wendepunkt W aufweist. Durch Ermittlung des Wendepunkts kann daher ohne Kalibrierung festgestellt werden, wann der Füllstand diese Stelle des Membranbereichs erreicht hat.

Anstelle der Frequenz kann auch die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Empfangswandlers 40 und der dem Erre­ gungswandler 30 zugeführten Erregungswechselspannung ermit­ telt und zur Feststellung des Füllstands ausgewertet werden, weil sich diese Phasendifferenz in Abhängigkeit vom Füllstand in gleicher Weise wie die Frequenz eindeutig ändert. Die Er­ regungs- und Auswerteschaltung 15 enthält dann anstelle eines Frequenzdiskriminators einen Phasendiskriminator.

Unabhängig von der Art der Erregung der Biegeschwingungen durch den Erregungswandler 30 und von der Auswertung des Ausgangssignals des Empfangswandlers 40 besteht ein wesent­ licher Vorteil des beschriebenen Füllstandssensors darin, daß nicht nur festgestellt werden kann, ob sich der Füll­ stand oberhalb oder unterhalb des Membranbereichs 24 befin­ det, sondern daß sogar mit guter Genauigkeit bestimmt werden kann, an welcher Stelle innerhalb des Membranbereichs sich der Füllstand befindet. Der Detektionsbereich ist dadurch wesentlich enger als der dem Membrandurchmesser entsprechen­ de Bereich, und demzufolge kann mit entsprechend größerer Genauigkeit festgestellt werden, ob der vorgegebene Füll­ stand erreicht ist oder nicht.

Es ist nicht erforderlich, daß der abgegrenzte Membranbereich kreisrund ist; er kann auch andere Formen haben, beispiels­ weise quadratisch oder rechteckig sein. Anstelle des kreis­ runden Metallrings 20 von Fig. 2 und 3 wird dann auf der Be­ hälterwand ein Metallrahmen mit dem gewünschten Umriß befe­ stigt. Ferner eignet sich der beschriebene Sensor nicht nur für ebene Behälterwände, sondern auch für gekrümmte Behäl­ terwände, wobei natürlich der Metallring oder Metallrahmen so geformt sein muß, daß er an allen Stellen in schwingungs­ mechanischer Verbindung mit der Behälterwand steht. Schließ­ lich muß der Metallring oder Metallrahmen auch nicht unbe­ dingt ein einstückiger oder lückenlos zusammengefügter Kör­ per sein. Er kann auch aus mehreren Einzelteilen bestehen, die getrennt und/oder mit Lücken auf der Behälterwand befe­ stigt werden.

In den Fig. 6 bis 11 ist ein Ausführungsbeispiel des Sen­ sors dargestellt, das die zuvor beschriebenen Abänderungen vereinigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zur Abgren­ zung des Membranbereichs ein rechteckiger Rahmen 50 verwen­ det, der so ausgebildet ist, daß er wahlweise auf ebenen Be­ hälterwänden oder auf zylindrischen Behälterwänden unter­ schiedlicher Krümmung befestigt werden kann. Zu diesem Zweck sind die oberen und unteren horizontalen Rahmenleisten in Segmente 51 bzw. 52 unterteilt, während die beiden seitli­ chen vertikalen Rahmenleisten 53 und 54 einstückig ausgebil­ det sind. In jedem Segment 51 und 52 ist eine Bohrung 55 bzw. 56 zur Durchführung eines Gewindebolzens angebracht, und jede seitliche Rahmenleiste 53, 54 enthält mehrere solcher Bohrungen 57 bzw. 58.

Fig. 7 zeigt, wie eines der Segmente 51 an einer gekrümmten Behälterwand 59 mit Hilfe eines Gewindebolzens 60 und einer auf den Gewindebolzen 60 aufgeschraubten Mutter 61 unter Einfügung einer Beilagscheibe 62 befestigt ist. Der Gewinde­ bolzen 60 ist vorzugsweise durch elektrische Punktschweißung so an der Behälterwand 59 befestigt, daß er genau senkrecht zur Behälterwand steht. Das Segment 51 ist entlang den pa­ rallel zu den Mantellinien des Behälters 59 verlaufenden Kanten mit Fußleisten 63 versehen, die an der Behälterwand 59 anliegen, während der zwischen den Fußleisten 63 liegen­ de Teil des Segments 51 im Abstand von der Behälterwand 59 liegt. Dadurch wird trotz der Krümmung der Behälterwand 59 eine genau definierte Anlage des Segments 51 an der Behäl­ terwand erreicht. Alle Segmente 51 und 52 sind in gleicher Weise ausgebildet und befestigt. Wie Fig. 6 zeigt, sind auch die seitlichen Rahmenleisten 53 und 54 entlang den vertika­ len Kanten mit Fußleisten 64 bzw. 65 versehen, die entlang den Mantellinien an der Behälterwand anliegen. Diese seitli­ chen Rahmenleisten sind ebenfalls in der zuvor beschriebenen Weise mittels Gewindebolzen, die durch die Bohrungen 57 bzw. 58 ragen, an der Behälterwand befestigt.

Die Bestandteile des Rahmens 60 sind vor der Montage auf den Gewindebolzen durch Zugfedern zusammengehalten, wie dies in der teilweise geschnittenen Ansicht von Fig. 8 für die Seg­ mente 51 und die seitlichen Rahmenleisten 53, 54 gezeigt ist.

Eine Zugfeder 70 ist in Bohrungen 71 angeordnet, die in den Segmenten 51 und den Rahmenleisten 53, 54 so angebracht sind, daß sie gleichachsig fluchten, wenn die Teile mit ihren ein­ ander zugewandten Flächen flach aneinanderliegen. Die Boh­ rungen 71 liegen natürlich außerhalb der Ebene der Bohrun­ gen, die für die Aufnahme der Gewindebolzen bestimmt sind. Die beiden Enden der Zugfeder 70 sind unter Vorspannung der Zugfeder an Stiften 72 verankert, die in den Rahmenleisten 53 und 54 angebracht sind und quer durch die Bohrungen 71 hindurchgehen. Eine weitere Zugfeder ist in der gleichen Weise in Bohrungen in den Segmenten 52 sowie in entsprechen­ den Bohrungen in den seitlichen Rahmenleisten 53 und 54 an­ geordnet. Die beiden Zugfedern halten infolge ihrer Vorspan­ nung die Teile des Rahmens 50 in Anlage aneinander, so daß der Rahmen eben ist, solange er nicht auf den Gewindebolzen befestigt ist. Die Zugfedern erlauben die Dehnung des Rah­ mens, die erforderlich ist, um die Rahmenteile mit ihren Bohrungen auf die im Lochrastermaß befestigten, von der Be­ hälterwand radial abstehenden Gewindebolzen aufzuschieben.

In der Mitte der seitlichen Rahmenleiste 53 ist an der In­ nenseite ein Vorsprung 73 angeformt, der zur Aufnahme des Erregungswandlers dient. Wie die Fig. 9 und 10 zeigen, hat der Erregungswandler den gleichen Aufbau wie der Erre­ gungswandler 30 von Fig. 3, weshalb seine Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind. Der Piezostapel 31 ist in einer Ausnehmung 74 des Vorsprungs 73 zwischen der Behälterwand 59 und dem Andruckplättchen 32 an­ geordnet und wird durch die Madenschraube 33, die in eine Gewindebohrung im Vorsprung 73 eingeschraubt ist und auf das Andruckplättchen 32 wirkt, mit einstellbarer Andruckkraft gegen die Behälterwand 59 gepreßt. Wie Fig. 10 erkennen läßt, ist die Fußleiste 64 an der Innenseite der Rahmenleiste 53 im Bereich der Ausnehmung 74 unterbrochen.

An der gegenüberliegenden Rahmenleiste 54 ist ein Ausleger 75 angebracht, der sich bis über die Mitte des Abstandes zwischen den beiden Rahmenleisten 53 und 54 erstreckt und zur Aufnahme des Empfangswandlers dient. Der Ausleger 75 be­ steht aus einem Metallblock 76, der unter Einfügung einer Entkopplungsplatte 77 mittels Schrauben 78 an der seitlichen Rahmenleiste 54 befestigt ist. Die Entkopplungsplatte 77 be­ steht aus einem Material, das die Übertragung von Vibratio­ nen zwischen der Rahmenleiste 54 und dem Metallblock 76 dämpft, beispielsweise aus Gummi. Wie Fig. 11 zeigt, hat der Empfangswandler den gleichen Aufbau wie der Empfangswandler 40 von Fig. 3, weshalb seine Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind. Das Piezoelement 41 ist zusammen mit der Silikonmasse 44 und dem Andruckplätt­ chen 42 in einer Ausnehmung 79 des Metallblocks 76 angeord­ net. Die Madenschraube 43, die in eine Gewindebohrung im Me­ tallblock 76 eingeschraubt ist und auf das Andruckplättchen 42 wirkt, hält das Piezoelement 41 mit einstellbarer Andruck­ kraft in Anlage an der Behälterwand. Die Ausnehmung 79 ist im Metallblock 76 so angebracht, daß der Empfangswandler 40 in der Mitte des vom Rahmen 50 umschlossenen Bereichs an der Behälterwand anliegt.

Wie bei der Ausführungsform von Fig. 2 und 3 bildet auch bei der Ausführungsform von Fig. 6 bis 11 der vom Rahmen 50 ab­ gegrenzte Bereich der Behälterwand die Membran des Sensors. Der Sensor von Fig. 6 bis 11 hat die gleiche Funktionsweise wie der Sensor von Fig. 2 und 3, und er zeigt das gleiche Verhalten, wie es durch die Diagramme von Fig. 4 und 5 dar­ gestellt ist. Die Erregung der Biegeschwingungen des Mem­ branbereichs durch den Erregungswandler 30 und die Auswer­ tung der Ausgangssignale des Empfangswandlers 40 kann daher in der gleichen Weise erfolgen wie dies zuvor für den Sensor von Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist.

Die Bildung der Membran des Sensors durch einen Bereich der Behälterwand, der durch einen in schwingungsmechanischer Verbindung mit der Behälterwand stehenden Ring oder Rahmen abgegrenzt ist, beruht bei allen beschriebenen Ausführungs­ beispielen darauf, daß die Übertragung der Biegeschwingungen des Membranbereichs in den außerhalb des Rings oder Rahmens liegenden Teil der Behälterwand durch die Masse des Rings oder Rahmens abgeschwächt wird. Dies wird durch die Fig. 12 bis 14 veranschaulicht, in denen die berechneten Ergeb­ nisse für verschiedene Massen des Rings oder Rahmens graphisch dargestellt sind. Jede dieser Figuren zeigt einen Schnitt durch eine ebene Behälterwand 80, die im Ruhezustand durch eine gerade Linie dargestellt ist, sowie den Querschnitt eines Ring- oder Rahmenteils 81, der auf der Behälterwand 80 so befestigt ist, daß er in schwingungsmechanischer Verbin­ dung mit der Behälterwand steht. Der rechts vom Ring- oder Rahmenteil 81 liegende Teil 82 der Behälterwand bildet den Membranbereich, der in Biegeschwingungen versetzt wird. Die Amplituden der Biegeschwingungen sind in allen Figuren zur Verdeutlichung stark überhöht dargestellt. Die Berechnungen sind in allen drei Figuren für die gleiche Behälterwand mit einer Dicke von 2,5 mm und für die gleiche Amplitude A der Biegeschwingungen des Membranbereichs 82, jedoch für unter­ schiedliche Querschnitte des Ring- oder Rahmenteils 81 durch­ geführt worden.

Fig. 12 zeigt die Ergebnisse für einen Ring- oder Rahmenteil 81 mit einer Breite b von 30 mm und einer Höhe h von 20 mm. Wie zu erkennen ist, werden die Biegeschwingungen des Mem­ branbereichs 82 mit verhältnismäßig geringer Abschwächung in den außerhalb des Membranbereichs 82 liegenden Wandbereich 83 übertragen. Dabei wird der Ring- oder Rahmenteil 81, wie in Fig. 12 gestrichelt dargestellt ist, infolge der schwin­ gungsmechanischen Verbindung um einen beträchtlichen Winkel ϕ_z ausgelenkt. Dieser Winkel ist wegen der Amplitudenüberhö­ hung natürlich ebenfalls übertrieben groß dargestellt.

Fig. 13 zeigt die Verhältnisse für einen Querschnitt des Ring- oder Rahmenteils 81 mit der gleichen Breite b von 30 mm, aber der doppelten Höhe h von 40 mm. Der Querschnitt ist also doppelt so groß wie im Fall von Fig. 12, und dem­ entsprechend hat der Ring oder Rahmen die doppelte Masse.

Der Ring- oder Rahmenteil 81 wird infolge seiner größeren Masse nur noch um einen verhältnismäßig kleinen Winkel ϕ_z ausgelenkt, wodurch die Übertragung der Biegeschwingungen des Membranbereichs 82 in den Wandbereich 83 stark abge­ schwächt wird.

Schließlich zeigt Fig. 14 die Verhältnisse für einen Quer­ schnitt des Ring- oder Rahmenteils 81 mit der gleichen Brei­ te b von 30 mm, aber der dreifachen Höhe h von 60 mm. Dem­ entsprechend hat der Ring oder Rahmen die dreifache Masse wie im Fall von Fig. 12. In diesem Fall ist der Winkel ϕ_z, um den der Ring- oder Rahmenteil 81 ausgelenkt wird, ver­ nachlässigbar klein, und die Übertragung der Biegeschwingun­ gen des Membranbereichs 82 in den Wandbereich 83 ist prak­ tisch vollständig unterdrückt. Im Fall von Fig. 14 erfüllt somit der Membranbereich 82 die Funktion einer Sensormembran in vollkommener Weise. Eine weitere Vergrößerung der Masse des Rings oder Rahmens würde dann keine nennenswerte Verbes­ serung mehr ergeben.

Eine brauchbare Membranwirkung wird erzielt, wenn die Masse des Rings oder Rahmens größer als die Masse des innerhalb des Rings oder Rahmens liegenden Bereichs der Behälterwand ist.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die zuvor beschriebe­ nen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können anstelle von piezoelektrischen Wandlern beliebige andere elektromechanische Wandler verwendet werden, die in der Lage sind, den abgegrenzten Membranbereich aufgrund einer zuge­ führten elektrischen Spannung in mechanische Schwingungen zu versetzen bzw. die mechanischen Schwingungen des Membranbe­ reichs abzutasten und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Hierfür eignen sich beispielsweise auch elektromagnetische oder magnetostriktive Wandler. Die Wandler können in jeder beliebigen geeigneten Weise so befestigt werden, daß sie in der erforderlichen Wechselwirkung mit dem Membranbereich stehen.

Der Metallring oder Metallrahmen kann auch auf andere Weise als durch Gewindebolzen und Muttern an der Behälterwand be­ festigt werden, z. B. durch Schweißen, Kleben usw. Grundsätz­ lich eignet sich jede Befestigungsart, die eine schwingungs­ mechanische Verbindung des Metallrings oder Metallrahmens mit der Behälterwand gewährleistet. Die Befestigung mittels Gewindebolzen ergibt den Vorteil, daß der gesamte Sensor im Bedarfsfall leicht von der Behälterwand abgenommen werden kann.

Die zuvor beschriebene Detektion des Füllstands durch Aus­ wertung der Eigenresonanzfrequenz des Membranbereichs eignet sich nur für flüssige Füllgüter, da nur bei diesen eine merk­ liche Änderung der Eigenresonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad des Membranbereichs eintritt. Der beschriebe­ ne Sensor kann jedoch ohne Abänderung seines mechanischen Aufbaus zur Überwachung des Füllstands von festen Füllgütern, beispielsweise körnigen oder pulverförmigen Füllgütern ver­ wendet werden, indem anstelle der Eigenresonanzfrequenz die Dämpfung der Schwingungsamplitude des Membranbereichs ausge­ wertet wird. Hierzu ist lediglich eine Änderung der Erre­ gungs- und Auswerteschaltung erforderlich. Diese Abänderung ist dem Durchschnittsfachmann aufgrund seiner Fachkenntnisse geläufig, da auch bei anderen Füllstandssensoren, die wahl­ weise für flüssige oder für feste Füllgüter angewendet wer­ den, entsprechende unterschiedliche Erregungs- und Auswerte­ schaltungen bekannt sind. Beispielsweise kann die Auswerte­ schaltung so abgeändert werden, daß anstelle eines Frequenz- oder Phasendiskriminators ein Amplitudendiskriminator vorge­ sehen wird, dessen Ausgangssignal anzeigt, ob die Amplitude des Ausgangssignals des Empfangswandlers über oder unter einem eingestellten Amplitudenschwellenwert liegt. Der Ampli­ tudenschwellenwert wird so eingestellt, daß er größer als die Amplitude des Ausgangssignals bei bedecktem Membranbe­ reich und kleiner als die Amplitude des Ausgangssignals bei unbedecktem Membranbereich ist.

Claims (24)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter mit einem auf der Höhe des vorbestimmten Füllstands montierten Sensor, der eine Membran aufweist, die mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn das Füllgut im Behälter den vorbestimmten Füll­ stand erreicht oder übersteigt, sowie einen elektromechani­ schen Erregungswandler, der bei Speisung mit einer elektri­ schen Spannung die Membran in Schwingungen versetzt, und einen elektromechanischen Empfangswandler, der die Schwin­ gungen der Membran in eine elektrische Wechselspannung um­ setzt, und mit einer Auswerteschaltung zur Auslösung von An­ zeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Fre­ quenz, der Phase oder der Amplitude der vom Empfangswandler abgegebenen Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran durch einen Bereich der Behälterwand gebildet ist, der durch einen an der Außenseite der Behälterwand ange­ brachten, in schwingungsmechanischer Verbindung mit der Be­ hälterwand stehenden Ring oder Rahmen abgegrenzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Rings oder Rahmens größer als die Masse des abgegrenzten Bereichs der Behälterwand ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ring oder Rahmen mittels an der Behälterwand befestigter Gewindebolzen am Behälter montiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gewindebolzen an der Behälterwand angeschweißt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ring oder Rahmen durch Schweißen an der Behäl­ terwand befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ring oder Rahmen durch Kleben an der Behälter­ wand befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ring oder Rahmen in Segmente unterteilt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente durch Zugfedern zusammengehalten sind, die sich durch Bohrungen in den Segmenten erstrecken und an bei­ den Enden an Rahmenteilen verankert sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregungswandler am Rand und der Empfangswandler in der Mitte des abgegrenzten Mem­ branbereichs angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregungswandler durch einen Stapel von piezoelektrischen Elementen gebildet ist, der zwischen der Behälterwand und einem mit dem Ring oder Rahmen fest verbundenen Abstützteil eingespannt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Abstützteil und dem Piezostapel angeordnetes Stellglied zur Einstellung der Kraft, mit der der Piezosta­ pel gegen die Behälterwand gedrückt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine in eine Gewindebohrung im Abstütz­ teil eingeschraubte Madenschraube ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützteil eine sich quer über den Ring oder Rahmen erstreckende steife Brücke ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützteil ein an einem Ring- oder Rahmenteil angeformter Vorsprung ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung eine Ausnehmung aufweist, in der der Pie­ zostapel angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangswandler durch wenig­ stens ein piezoelektrisches Element gebildet ist, das zwi­ schen der Behälterwand und einem mit dem Ring oder Rahmen fest verbundenen Abstützteil eingespannt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das piezoelektrische Element und das Abstütz­ teil ein elastisches Federelement eingefügt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Federelement eine Silikonmasse ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Abstützteil und dem Federelement an­ geordnetes Stellglied zur Einstellung der Kraft, mit der das piezoelektrische Element in Anlage an der Behälterwand ge­ halten wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine in eine Gewindebohrung im Abstütz­ teil eingeschraubte Madenschrauben ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützteil eine sich quer über den Ring oder Rahmen erstreckende steife Brücke ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützteil ein an einem Ring- oder Rahmenteil angebrachter Ausleger ist, der sich bis über die Mitte des abgegrenzten Membranbereichs erstreckt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger einen Metallblock und ein zwischen dem Me­ tallblock und dem Ring- oder Rahmenteil angeordnetes Ent­ kopplungsteil aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkopplungsteil eine Gummiplatte ist.