Beschreibung

Füllstandmessanordnung mit einer Sicherheitsabschaltung bei hohen Temperaturen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vibrations-Grenzschalter- Anordnung mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. auf ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrati- ons-Grenzschalters mit den Oberbegriffliehen Merkmalen des Pa- tentanspruchs 9.

üblicherweise umfasst eine Vibrations-Grenzschalter-Anordnung zum überwachen eines Füllstandes eines Mediums in einem Behältnis eine Schwingungsanordnung zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung. Die Schwingungsanordnung ist dabei mit einer

Schwingungseinrichtung gekoppelt, wobei die Schwingungseinrichtung zum Erzeugen einer an die Schwingungsanordnung zu übertragenden mechanischen Schwingung aufgrund eines elektrischen Erregersignals ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dieselbe Schwin- gungseinrichtung zugleich zum Umwandeln einer von der Schwingungsanordnung übertragenen mechanischen Schwingung in ein e- lektrisches Empfangssignal ausgebildet. Das Erregersignal wird von einer Steuereinrichtung erzeugt, wobei die Steuereinrichtung vorzugsweise auch zum Verarbeiten des Empfangssignals dient.

Ein Vibrations-Grenzschalter besteht üblicherweise aus einer piezoelektrischen Sende-/Empfangseinheit in Form einer solchen Schwingungseinrichtung und aus einem daran gekoppelten mechani- sehen Schwinggebilde in Form der Schwingungsanordnung, welche vorzugsweise als Schwinggabel ausgebildet ist. Die elektrische Antriebsenergie der Sendeeinheit wird dabei in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt, wodurch das darüber angetriebe ^¬ ne Schwinggebilde auf seiner Resonanzfrequenz zu schwingen be- ginnt. Auf umgekehrtem Weg wird ein elektrisches Empfangssignal an der Empfangseinheit, welche durch die Schwingungseinrichtung gebildet wird, erhalten. Frequenz und Amplitude dieses Emp-

fangssignals sind abhangig vom Bedeckungszustand der Schwingga ^¬ bel und damit vom Füllstand des Behältnisses und können folglich zur Auswertung herangezogen werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Fullstandmessan- ordnung, insbesondere eine Vibrations-Grenzschalter-Anordnung bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung vorzuschlagen, welche sicherer betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelost.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhangiger Anspru- che.

Bevorzugt wird demgemass eine Vibrations-Grenzschalter- Anordnung mit einer Steuereinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Erregersignals und/oder zum Verarbeiten eines elektri- sehen Empfangssignals, einer Schwingungseinrichtung, insbesondere piezoelektrischen Schwingungseinrichtung zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung aufgrund des Erregersignals und/oder zum Umwandeln einer mechanischen Schwingung in das Empfangssignal und einer Schwingungsanordnung, wobei eine Tem- peraturbestimmungs-Einrichtung zum Bestimmen einer Temperatur der Schwingungseinrichtung und/oder einer Temperatur einer Umgebung der Schwingungseinrichtung bereitgestellt ist und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist, ein Schaltsignal und/oder ein Warnsignal bei Erreichen einer Schwellentemperatur oder ab- hangig von der Temperatur zu erzeugen.

Die Steuereinrichtung weist vorzugsweise einen Ausgang zum Ausgeben des Schaltsignals zum Steuern einer angeschlossenen Vorrichtung, insbesondere Füll- oder Entleerungsvorrichtung, und/oder zum Versetzen der Vibrations-Grenzschalter-Anordnung und/oder einer angeschlossenen Vorrichtung m einen speziell definierten Zustand auf. Die Steuereinrichtung weist Vorzugs-

weise auch einen Ausgang zum Ausgeben des Warnsignals zum Signalisieren eines kritischen Betriebszustandes auf.

Eine Speichereinrichtung dient bevorzugt zum Speichern zumin- dest einer zuvor bestimmten Temperatur für eine Analyse nach einem Störungszustand der Vibrations-Grenzschalter-Anordnung oder einer übergeordneten Vorrichtung.

Die Temperaturbestimmungs-Einrichtung weist vorzugsweise ein Thermoelement mit Ausgleichsleitungen zum Erzeugen einer Ther- mospannung auf. Vorzugsweise sind zwei Thermo-Elektroden mit zueinander unterschiedlichen thermoelektrischen Koeffizienten zueinander benachbart (und insbesondere zwischen einer Keramik und einem Piezoelement der Schwingungseinrichtung angeordnet) .

Eine Temperatur-Auswerteeinrichtung, insbesondere in Form der Steuereinrichtung, ist mit Thermo-Elektroden mit zueinander unterschiedlichen thermoelektrischen Koeffizienten über isolierte Ausgleichsleitungen verbunden, deren thermoelektrischer Koeffi- zient der Einzeladern mit der daran angeschlossenen Thermo- Elektrode übereinstimmt oder in einem definierten Verhältnis steht.

Vorzugsweise ist zumindest eine Thermo-Elektrode der Tempera- turbestimmungs-Einrichtung zugleich als Anschluss-Elektrode für ein Piezoelement der Schwingungseinrichtung ausgebildet und verschaltet .

Bevorzugt wird insbesondere auch ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrations-Grenzschalters, bei dem ein Erregersignal erzeugt und einer Schwingungseinrichtung angelegt wird, wobei die Schwingungseinrichtung eine mechanische Schwingung erzeugt, wobei eine Temperatur der Schwingungseinrichtung und/oder eine Temperatur einer Umgebung der Schwingungseinrichtung bestimmt wird und/oder ein Schaltsignal und/oder ein Warnsignal abhängig von der bestimmten Temperatur oder einer Schwellentemperatur erzeugt wird.

Das Schaltsignal wird vorzugsweise bei Erreichen einer Schwellentemperatur erzeugt, um eine weitere Vorrichtung zum Füllen oder Entleeren eines überwachten Behältnisses in einen defi- nierten Zustand zu versetzen. Das Warnsignal wird insbesondere bei Erreichen einer Schwellentemperatur erzeugt zum Signalisieren eines kritischen Betriebszustandes. In einer Speichereinrichtung wird bevorzugt zumindest eine zuvor bestimmte Temperatur für eine Analyse nach einem Störungszustand zu einem späte- ren Zeitpunkt gespeichert. Aus der Temperatur kann auch ein Temperaturwert eines Füllguts eines überwachten Behältnisses bestimmt werden.

Bei einer solchen Anordnung und bei einem solchen Verfahren wird die Schwellentemperatur so weit unterhalb der Curie- Temperatur des verwendeten Piezomaterials eingestellt, dass die Schwingungseinrichtung störungsfrei die mechanische Schwingung aus dem Erregersignal und/oder das Empfangssignal aus der mechanischen Schwingung erzeugen kann. Die Schwellentemperatur liegt vorzugsweise weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, insbesondere weniger als 2 % unterhalb der Curie-Temperatur. Dies ermöglicht einen sicheren Einsatz einer Schwingungseinrichtung, die durch zumindest ein piezoelektrisches Element ausgebildet ist.

Beim überschreiten der Curietemperatur würde eine Depolarisati- on einsetzen, was zur Folge hätte, dass die Sende- bzw. Empfangselemente im derart aufgebauten Antrieb ihre piezoelektrischen Eigenschaften verlieren würden. Abhängig von der mechani- sehen und elektrischen Ausfuhrung eines derart aufgebauten Sensors könnte dies zu einem gefährlichen Fehler führen, wenn beispielsweise ein Behältnis trockenläuft oder ein Behältnis überläuft.

Durch die Bereitstellung einer Temperaturbestimmungs-

Einrichtung kann ein überschreiten einer kritischen Schwellentemperatur unterhalb der Curie-Temperatur durch Einleiten ent-

sprechender Maßnahmen verhindert werden bzw. ein Mechanismus aktiviert werden, welcher beispielsweise eine Stilllegung der vollständigen Anlage oder eine Aktivierung oder Deaktivierung bestimmter Vorrichtungen einer solchen Anlage veranlasst. Beim Erreichen oder vorzugsweise ausreichend vor dem Erreichen der Curie-Temperatur wird vorzugsweise bewirkt, dass ein Ausgang eines derart ausgestatteten Grenzstandmelders in eine definierte sichere Lage geht, so dass beispielsweise ein überlauf bzw. ein Trockenlauf einer übergeordneten Anlage verhindert wird. Sinnvoll ist auch die Ausgabe einer Warnmeldung bei Annäherung an die Depolarisationsgrenze, so dass gegebenenfalls rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleitbar sind. Das Abspeichern der maximalen Antriebs-Temperatur mittels vorzugsweise eines Schleppzeigers in einer Speichereinrichtung wie einem EEPROM ermöglicht nach einem Ausfall einer Vibrations-Grenzschalter-Anordnung o- der nach einer sonstigen Störung dem Hersteller oder Betreiber, die möglichen Ausfallursachen einer solcher Vibrations- Grenzschalter-Anordnung einzugrenzen.

Vorzugsweise wird ein Temperatursensor der Temperaturbestim- mungs-Emrichtung in unmittelbarer Nahe der piezoelektrischen Sende-/Empfangsemheit angebracht. Wird die bestimmte Temperatur an die Steuereinrichtung bzw. darüber an eine Leitstelle übertragen, so können die Steuereinrichtung oder die Leitstelle bzw. ein Betreiber bei einem geringen Temperaturgefalle zwischen Antrieb und Füllgut zusatzlich die Möglichkeit nutzen, Rückschlüsse auf die Temperatur des Fullmediums eines überwachten Behältnisses zu ziehen.

Vorteilhafterweise wird durch die vorgeschlagene Anordnung bzw. Verfahrensweise eine kostengünstige und platzsparende Sensoreinheit vorgeschlagen, mit welcher es möglich ist, die Tempera ^¬ tur eines Piezo-Antriebes, welcher zur Ausbildung einer Schwingungseinrichtung verwendet wird, zu überwachen.

Zum Schutz von Piezoelementen oder sonstigen vergleichbaren Komponenten einer solchen Schwingungseinrichtung wird die Mes-

sung der Temperatur vorzugsweise mittels einer Wärme- Widerstands-Kette durchgeführt, welche unmittelbar vor den tem- peratursensiblen Elementen platziert wird. Eine Möglichkeit zur Messung der Temperatur wäre der Einsatz metallischer Tempera- tursensoren, wie diese bekannt sind als PtIOO oder PtIOOO, welche über die Temperatur ihren elektrischen Widerstand verändern.

Derartige Sensoren nehmen relativ viel Platz in einem Antriebs- gehäuse in Anspruch. Außerdem gestaltet sich eine optimale Platzierung nicht einfach, da die von der Wärmeleitung her günstigste Anbringung auf einer Membran des Schwinggebildes der Schwingungseinrichtung oder an einem metallisch daran gekoppelten Element eine Potentialtrennung mittels z.B. einer Keramik- scheibe zwischen einer Andruckscheibe und einem piezoelektrischen Block nicht mehr gewährleistet. Der Temperatursensor einer derartigen Temperaturbestimmungs-Einrichtung sollte sich aber möglichst in Richtung einer möglichen Wärmequelle zwischen Wärmequelle und piezoelektrischen Elementen befinden. Daher wird eine Anordnung mit Elektroden, welche zueinander unterschiedliche thermoelektrische Koeffizienten aufweisen, besonders bevorzugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Schwingsystems und einer Elektronik einer Vibrations-Grenzschalter- Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 3 eine Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform.

Neben den dargestellten Ausführungsformen sind insbesondere Kombinationen von deren jeweiligen Aspekten sowie auch weitere

Ausführungsformen mit einer größeren Anzahl oder einer geringeren Anzahl derartiger jeweiliger Komponenten umsetzbar. Ein entscheidender Grundgedanke besteht darin, dass eine Temperaturmessung in einem Bereich temperatur-sensibler Komponenten stattfindet und eine derart bestimmte Temperatur verwendet wird, um den Betrieb eines Vibrations-Grenzschalters oder damit überwachter weiterer Vorrichtungen zu beeinflussen. Im Rahmen der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen werden mit gleichen Bezugszeichen jeweils gleiche oder gleichartige Kompo- nenten oder Signale bezeichnet, wobei im Rahmen der Beschreibung der zweiten und der dritten Ausführungsform zur Vereinfachung Bezug genommen wird auf entsprechende Beschreibungen der jeweils anderen Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt eine Untergliederung in ein Schwingsystem 1 und eine Elektronik 2. Als eine mechanische Schwingungsanordnung 3 wird eine übliche Schwinggabel verwendet. Die Schwinggabel ragt zumindest teilweise in ein Behältnis hinein, in dem sich ein Füllmedium befindet, dessen Füllstand zu überwachen ist. Auf der dem zu überwachenden Füllmedium gegenüberliegenden Seite der Schwingungsanordnung ist eine Abfolge von Komponenten angeordnet, welche bei der dargestellten Ausführungsform lediglich beispielhaft aus einzelnen Komponenten besteht, welche übereinander gestapelt und mittels einer Gewindestange 4 und einer Mutter 5 gegen die Schwingungsanordnung verspannt sind. Prinzipiell sind jedoch auch andere bekannte Anordnungen und Verfahren zum Ausbilden eines Schwingungsantriebs in Verbindung mit einer Schwingungsgabel umsetzbar.

Bei der beispielhaft dargestellten Anordnung sind oberhalb der die Schwingungsanordnung 3 ausbildende Schwinggabel eine untere Andruckscheibe 6, ein keramisches Element 7, eine erste Thermo- Elektrode 8, eine zweite Thermo-Elektrode 9, ein Piezoelement 10, eine erste Anschluss-Elektrode 11, ein zweites Piezoelement 12, eine zweite Anschluss-Elektrode 13, ein weiteres keramisches Element 14 und eine obere Andruckscheibe 15 angeordnet,

welche mittels der Mutter 5 gegen die Schwinggabel gespannt werden.

Die Elektronik 2 umfasst neben weiteren üblichen Komponenten insbesondere eine Sende-/Empfangseinheit 16 und einen ADW-

Eingang (ADW: Analog-Digital-Wandler) eines Prozessors, welcher als Temperaturbestimmungs-Einrichtung 17 dient. Diese Komponenten und weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Speichereinrichtung 18, sind Bestandteil einer integrierten oder übergeordneten Steuereinrichtung 19. Die Steuereinrichtung 19 kann somit aus einzelnen miteinander verschalteten Komponenten oder aus einer gegebenenfalls auch einzigen integrierten Komponente ausgebildet sein. über die Sende-/Empfangsemheit 16 der Steuereinrichtung 19 wird ein Erregersignal s erzeugt, welches der ersten Anschluss-Elektrode 11 angelegt wird. Die zweite An- schluss-Elektrode 13 ist an Masse m angeschlossen, wobei die Masse m als Schaltungsmasse mit der Sende-/Empfangseinheit 16 oder sonstigen üblichen Masseanschlüssen verbunden ist. Die Temperaturbestimmungs-Einrichtung 17 ist über eine erste Lei- tung mit der ersten Thermo-Elektrode 8 verbunden und empfangt über diese Leitung eine Thermospannung t. Außerdem ist die Tem- peraturbestimmungs-Emrichtung 17 über eine Masse-Leitung 21 mit Masse m verbunden, wobei die Masse-Leitung 21 an der zweiten Thermo-Elektrode 9 anliegt. Vorzugsweise kann, wie darge- stellt, eine gemeinsame Masse m mit der Sende-/Empfangseinheit 16 verwendet werden. Prinzipiell besteht aber auch die Möglichkeit, eine Leitung 20 für das Sende-/Empfangssignal s, e und eine eigene Masse-Leitung 21 für die Antriebseinheit und ein eigenes Leitungspaar aus einer eigenen Masse-Leitung 21 und ei- ner Thermospannungs-Leitung 22 für die Temperaturbestimmungs- Einrichtung 17 bereitzustellen. Die dargestellte Masse-Leitung 21 und die Thermospannungs-Leitung 22 bilden Thermo- Ausgleichsleitungen.

Bei dieser Anordnung bilden somit die erste Thermo-Elektrode 8 und die zweite Thermo-Elektrode 9, die direkt zwischen dem ers ^¬ ten keramischen Element 7 und dem ersten Piezoelement 10 ange-

bracht bzw. eingespannt sind, ein Elektrodenpaar mit unterschiedlichen thermoelektrischen Koeffizienten. Somit bleibt eine Potenzialtrennung bestehen und eine über die Schwingungsanordnung 3 aus dem Behältnis einwirkende Behältnistemperatur TO wird als eine auf das bzw. die Piezoelemente 10, 12 einwirkende Temperatur T unmittelbar vor den Piezoelementen 10, 12 ermittelt. Die Schraubverbindung des derart aufgebauten Antriebs sorgt dafür, dass die Elektroden, insbesondere die beiden Ther- mo-Elektroden 8, 9 miteinander verbunden sind. Zur Ermittlung der absoluten Temperatur T in diesem Bereich ist bei einer derartigen Anordnung mit Wärmewiderständen eine Messung der an den Leitungsenden vorherrschenden Vergleichsstellen-Temperaturen notwendig. Diese wird in der Elektronik 2 z. B. von einem im Prozessor befindlichen Temperatursensor bzw. der Temperatur- bestimmungs-Einrichtung 17 gemessen und als absolute Temperatur T durch die Steuereinrichtung 19 ausgegeben oder verwendet. Die absolute Temperatur T kann dabei beispielsweise mittels einer entsprechend geeigneten Software aus der Thermospannung der ersten und der zweiten Thermo-Elektrode 8, 9 berechnet werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden isolierte Ausgangsleitungen in Form der Masse-Leitung 21 und der Thermospannungs-Leitung 22 verwendet, deren thermoelektrischer Koeffizient mit denen der daran angeschlossenen Thermo- Elektroden 9, 8 möglichst genau übereinstimmen sollten. Beispielhaft mögliche Thermopaare werden z. B. gebildet durch NiCr+/Ni- oder NiCr+/CuNi-. Zwischen dem übergang der Ausgleichsleitungen auf Kupferleitungen zur Adaptierung der Elektronik 2 und der Vergleichsmessstelle ist vorzugsweise kein Tem- peraturgefälle vorhanden, da ansonsten weitere ThermoSpannungen entstehen, welche das Messergebnis verfälschen würden und entsprechend herauszurechnen wären. Vorzugsweise besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Thermospannung t direkt an der übergangsstelle zwischen Thermopaar und Kupferleitung mit entspre- chender Beschaltung zu kompensieren bzw. die Temperatur an der übergangsstelle zu messen und eine softwaremäßige Kompensation des vom Prozessor erfassten Messergebnisses durchzuführen.

Falls auf die Notwendigkeit einer Potenzialtrennung verzichtet werden kann, besteht auch die Möglichkeit, auf eine der Thermo- Elektroden zu verzichten und eine Membran einer solchen Anordnung stattdessen als zweite Thermo-Elektrode zu verwenden.

Um weitere Kosten zu sparen, können die beiden Thermo- Elektroden auch durch eine beliebige metallische Elektrode ersetzt werden. Dazu werden die Thermoleitungen, wie in Fig. 2 dargestellt, unmittelbar mit einer solchen Elektrode verbunden. Durch die gegenüber Luft wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit einer solchen metallischen Verbindung wird ebenfalls eine Ther- mospannung t erhalten, welche die Information der direkt vor den Piezoelementen vorherrschenden Temperatur enthält.

Entsprechend zeigt Fig. 2 im Unterschied zu Fig. 1 anstelle einer ersten und einer zweiten Thermo-Elektrode nur eine erste Thermo-Elektrode 8 zwischen dem ersten keramischen Element 7 und dem ersten Piezoelement 10 und eine entsprechend vorzugsweise direkt der Thermo-Elektrode 8 benachbarte Verbindungs- stelle 23, welche die Masse-Leitung 21 und die Thermospannungs- Leitung 22 miteinander verbindet. Eine weitere Abstrahierung und noch kompaktere Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt, bei welcher gemäß einem besonders einfachen Umsetzungsprinzip die Temperatur T vor einem mittels Klebetechnik und/oder Löttechnik aufgebrachten Piezo-Antrieb gemessen wird. Dabei sind oberhalb einer auf der Schwingungsanordnung 3 angeordneten Keramik 1 direkt eine Thermo-Elektrode 8, ein Piezoelement 10 und eine An- schluss-Elektrode 13 miteinander verklebt und/oder verlötet angeordnet, wobei wie bei den übrigen Darstellungen die einzelnen Elemente voneinander beabstandet dargestellt sind, um diese anschaulicher skizzieren zu können. Wiederum ist eine Verbindungsstelle 23 vorzugsweise nahe der Thermo-Elektrode 8 ausgebildet, wobei die Verbindungsstelle 23 wieder die Masse-Leitung und die Thermospannungs-Leitung verbindet. Die Anschluss- Elektrode 13 ist wiederum über eine Anschlussleitung 20 zum U- bertragen von Sendesignalen s und Empfangssignalen e verbunden.

Alle drei Ausfuhrungsformen zeigen eine beispielhaft skizzierte Speichereinrichtung 18, in welcher gegebenenfalls neben Betriebsparametern durch die Anordnung bestimmte Temperaturen gespeichert werden können. Dies ermöglicht im Falle eines Sto- rungszustandes ein spateres Auslesen derart bestimmter Temperaturen, um feststellen zu können, ob eine Störung durch eine zu hohe Temperatur oder durch möglicherweise andere Ursachen entstand.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 19 ausgelegt, je nach Bedarf verschiedenartige Signale auszugeben. Vorzugsweise kann die bestimmte Temperatur T über einen entsprechenden Anschluss ausgegeben werden. über weitere Anschlüsse können vorzugsweise auch ein Schaltsignal sw und/oder ein Warnsignal w ausgegeben werden. Mittels eines Schaltsignals können beispielsweise Pumpen oder sonstige Vorrichtungen aktiviert oder deaktiviert werden, um ein Leerlaufen oder überlaufen eines durch die derart ausgebildete Vibrations-Grenzschalter-Anordnung überwachten Behältnisses zu verhindern. Vorzugsweise berücksichtigt die Steu- ereinrichtung 19 für Uberwachungszwecke auch eine Schwellentemperatur T*, welche zur Sicherstellung eines fehlerfreien Betriebs im Bereich der Piezoelemente 8, 9 nicht überschritten werden sollte oder überschritten werden darf. Insbesondere bei Erreichen einer solchen Schwellentemperatur T* werden entspre- chende Schalt- und Warnsignale sw, w ausgegeben.

Vorzugsweise wird die Schwellentemperatur (T*) in Abhängigkeit von den verwendeten Piezoelementen 10, 12 festgelegt, so dass ein störungsfreier Betrieb mit Blick auf die kritischen Be- triebstemperaturen der Piezoelemente gewährleistet wird. Die Berücksichtigung der Curie-Temperatur ist von Bedeutung für Schwingungseinrichtungen, welche aus Piezoelementen oder vergleichbaren Elementen mit vergleichbaren physikalischen Eigenschaften ausgebildet sind.