DE3931453C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/
oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Be
hälter, mit einem mechanischen Schwingungsgebilde, das min
destens zwei, in den Behälter ragende Schwingstäbe aufweist,
die im Abstand voneinander an einer am Rand eingespannten
Membran befestigt sind, einer Erregungsanordnung, die die
Schwingstäbe in gegensinnige Schwingungen quer zu ihrer Längs
richtung versetzt und einen Erregungswandler mit wenigstens
einem von einer Wechselspannung erregbaren piezoelektrischen
Element enthält, einem Empfangswandler mit wenigstens einem
piezoelektrischen Element, der die Schwingungen des mechani
schen Schwingungsgebildes in ein elektrisches Ausgangssignal
umwandelt.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE-AS 17 73 815 be
kannt. Im Vergleich zu anderen bekannten Vorrichtungen mit
einem einzigen in den Behälter ragenden Schwingstab ergibt
sie den Vorteil, daß sich die von jedem Schwingstab auf die
Einspannung der Membran ausgeübten Wechselkräfte in Folge der
Gegensinnigkeit der Schwingungen gegenseitig aufheben, so daß
keine Schwingungsenergie durch Übertragung auf die Behälter
wand verloren geht und auch die Einspannung mechanisch weniger
belastet wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind die mit
der Membran verbundenen Enden der Schwingstäbe durch zwei me
chanisch voneinander entkoppelte Brücken miteinander verbunden,
von denen jede aus einen auf der Membran aufliegenden Joch und
einem das Joch überspannenden Bügel besteht. Die eine Brücke
ist mit dem Erregungswandler und die andere Brücke mit dem
Empfangswandler dadurch gekoppelt, daß das piezoelektrische
Element des Wandlers zwischen dem Bügel und dem Joch einge
spannt ist. Der Erregungswandler ist an den Ausgang eines Ver
stärkers angeschlossen, dessen Eingang mit dem Empfangswandler
verbunden ist, so daß eine Selbsterregung von Schwingungen mit
der Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Schwingungsgebildes
erfolgt.
Die an den Ausgang des Verstärkers angeschlossene Auswerte
schaltung ist so ausgebildet, daß sie auf Amplitudenänderungen
anspricht. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung beruht darauf,
daß die mechanischen Schwingungen der Schwingstäbe beim Eintau
chen in das Füllgut bedämpft werden, so daß sich eine Verrin
gerung der Schwingungsamplitude ergibt, die von der Auswerte
schaltung festgestellt wird und die Auslösung eines Anzeige-
und/oder Schaltvorgangs verursacht.
Es hat sich gezeigt, daß diese bekannte Vorrichtung in Folge
der Ausbildung des mechanischen Schwingungsgebildes und der
Anordnung der piezoelektrischen Wandler eine verhältnismäßig
starke Bedämpfung der Schwingstäbe durch das Füllgut voraus
setzt, damit ein sicheres Ansprechen auf die Amplitudenverän
derungen gewährleistet ist. Diese Vorrichtung kann daher zur
Überwachung von Füllgütern verwendet werden, die bei Bedeckung
der Schwingstäbe eine starke Bedämpfung verursachen, wie Schütt
stoffe oder Flüssigkeiten hoher Viskosität.
Eine andere Vorrichtung der gleichen Art mit zwei in den Be
hälter ragenden Schwingstäben ist aus der DE-PS 33 36 991 be
kannt. Der Gegenstand dieser Patentschrift zeigt eine auf der
den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran angeordnete
Brücke, welche durch biegeelastische, an den Enden jeweils
starr mit dem Schwingstab verbundene stabförmige Stützen im
Abstand von der Membran gehalten ist. Die piezoelektrischen
Elemente des Erregungswandlers und des Empfangswandlers sind
bei dieser bekannten Vorrichtung in einem Stapel angeordnet,
der unter konvexer Vorspannung der Membran zwischen der Brücke
und dem zwischen den Schwingstäben liegenden Teil der Membran
eingespannt ist. Mit dem Gegenstand der DE-PS 33 36 991 ist be
reits die Aufgabe gelöst, eine Vorrichtung dieser Art mit zwei
in den Behälter ragenden Schwingstäben so auszubilden, daß sie
für Füllgüter beliebiger Art geeignet ist, und mit einer niedri
gen Erregungswechselspannung und geringer Erregungsenergie be
trieben werden kann.
Von dieser Vorrichtung ausgehend, stellt sich die vorliegende
Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Feststellung und/
oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Be
hälter zu schaffen, welche mindestens zwei in den Behälter ra
gende Schwingstäbe aufweist, ebenfalls mit einer niedrigen Er
regungswechselspannung und geringer Erregungsenergie betrieben
werden kann, jedoch einen aus wenigen Teilen bestehenden ver
einfachten Erregungs- und Empfangswandler aufweist und somit
einfacher und preisgünstiger herzustellen ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1
gekennzeichneten Merkmale.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bringt darüber hinaus weiter
den Vorteil, daß die von der Längenveränderung der piezoelek
trischen Elemente stammenden und auf die Membran wirkenden
Momente vergrößert sind und dadurch eine Vergrößerung der
Schwingungsamplitude der Schwingstäbe bewirken.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfin
dung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das in
den Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch die
Vorrichtung,
Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch das Einschraub
stück der Vorrichtung von Fig. 1.
In Fig. 1 ist unter 1 eine Vorrichtung zur Feststellung und/
oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes dargestellt.
Sie besteht aus den Schwingstäben 21, 22, dem Einschraubstück
3 und dem Erregungs- und Empfangswandler 4. Die Schwingstäbe
21, 22 ragen in das Innere eines nicht dargestellten Behälters,
dessen Füllstand mittels der Vorrichtung 1 festgestellt oder
überwacht werden soll. Sie sind von gleicher Form und ledig
lich gegeneinander um ihre Längsachse 180 Grad gedreht ange
ordnet. Beide Schwingstäbe sind auf der dem Behälterinnern
abgewandten Seite fest mit der Membran 31 verbunden, welche
das Innere des Einschraubstückes 3 zum Behälterinnenraum hin
abschließt. Jeder der Schwingstäbe 21, 22 ist mit einer Kröp
fung 23, 24 versehen, so daß die im wesentlichen parallel ne
beneinander liegenden Hauptteile der Schwingstäbe einen größe
ren Abstand voneinander haben als die mit der Membran verbun
denen Enden. Durch die Kröpfungen 23, 24 wird bewirkt, daß von
der Membran 31 noch mitübertragene Reste von longiditunalen
Schwingungen ebenfalls in quer zu den Schwingstäben gerichtete
Schwingungen umgewandelt werden. Die Hauptteile der Schwing
stäbe haben einen runden Querschnitt und sind an den freien
Enden zugespitzt. Die gekröpften Abschnitte 23, 24 verbreitern
sich zu einem größeren unrunden Querschnitt an der Verbindungs
stelle mit der Membran 31.
Am freien Ende jedes Schwingstabes 21, 22 ist ein Paddel 25
senkrecht zu der die Achsen der Schwingstäbe enthaltenden Ebene
angebracht. Jede der Paddel 25 erstreckt sich vom freien Ende
des Schwingstabes über eine verhältnismäßig große Länge, die
zwischen 40 und 60% der Länge der Schwingstäbe beträgt und
vorzugsweise bei etwa 50% dieser Länge liegt. Dagegen ist die
Breite jedes Paddels senkrecht zur Längsachse des Schwingstabes
wesentlich kleiner als die Längenausdehnung. Diese Breite der
Paddel 25 und die Kröpfungen 23, 24 sind so aufeinander abge
stimmt, daß die Schwingstäbe 21, 22 mit den daran angebrachten
Paddeln 25 durch eine Öffnung hindurchgeführt werden können,
die in die nicht dargestellte Behälterwand eingebracht worden
ist. Trotz der dadurch bedingten verhältnismäßig geringen
Breite der Paddel 25 ergibt sich in Folge der großen Längen
ausdehnung der Paddel eine große wirksame Paddelfläche.
Das Einschraubstück 3 ist von zylindrischer Form und weist ein
zylindrisches Außengewinde 32 auf, mit welchem die Vorrichtung
1 in der nicht dargestellten Wand des Behälters, dessen Füll
stand mit der Vorrichtung festgestellt und/oder überwacht wer
den soll befestigt ist. Dazu durchdringt eine Bohrung die Be
hälterwand und ist mit einem zylindrischen Innengewinde ver
sehen. Zum Einschrauben der Vorrichtung 1 in die Behälterwand
ist an dem Einschraubstück 3 ein Sechskant 33 angeformt, des
sen Flächenabstand der Schlüsselweite eines Schraubenschlüs
sels entspricht. Der druckdichte Verschluß wird durch eine
ringförmige Dichtfläche 34 gewährleistet und geschieht unter
Zwischenfügung einer nicht dargestellten ringförmigen Dichtung
und der Behälterwand. Das Innere des Einschraubstückes 3 durch
dringt auf der den Schwingstäben 21, 22 abgewandten Seite ein
zylindrischer Hohlraum 35, dessen axiale Erstreckung so gewählt
ist, daß lediglich ein geringes Reststück des Einschraubstückes
3 nicht durchdrungen wird, welches die Membran 31 der Vorrich
tung 1 bildet. Der Erregungs- und Empfangswandler 4 ist in dem
zylindrischen Hohlraum 35 des Einschraubstückes 3 untergebracht.
Vorzugsweise sind die Schwingstäbe 21, 22, die Paddel 25, das
Einschraubstück 3 und die Membran 31 als einstückiges metalli
sches Formteil hergestellt.
Selbstverständlich kann der Einbau der Vorrichtung 1 an jeder
beliebigen Stelle des Behälters erfolgen. So z. B. in der Wan
dung oder in dem Deckel, je nach der Aufgabe, wie die Messung
und/oder Überwachung des Füllstandes erfolgen soll.
Der Aufbau des Erregungs- und Empfangswandlers 4 ist in Fig. 2
gezeigt. Er besteht aus der Spannschraube 41, welche fest mit
der Membran 31 verbunden ist. Dies kann auf jede dem Fachmann
bekannte Art wie Schweißen, Kleben usw. erfolgen. Die Spann
schraube 41 kann aber auch Teil des einstückigen metallischen
Formteiles sein, als welches das Einschraubstück 3 einschließ
lich der Schwingstäbe 21, 22 vorzugsweise hergestellt werden
kann.
Die Spannschraube 41 ist so an der Membran 31 angeordnet, daß
ihre Symmetrieachse mit der der Membran 31 zusammenfällt, und
ragt in den zylindrischen Hohlraum 35. Weiter besteht der Er
regungs- und Empfangswandler 4 aus dem Isolierrohr 42, der 6kt-
Mutter 43, den Verbindungsleitungen 44, 45, 46, 47 sowie dem
Piezostapel 50 mit den folgenden Bestandteilen:
51 - Metallring
52 - Isolierring
53 - Elektrodenring
54 - ringförmigen piezoelektrischen Element
55 - Elektrodenring
56 - ringförmigen piezoelektrischen Element
57 - Elektrodenring
58 - Isolierring
59 - Elektrodenring
60 - ringförmigen piezoelektrischen Element
61 - Elektrodenring
62 - Isolierring
63 - Elektrodenring
64 - Isolierring
65 - Metallring
52 - Isolierring
53 - Elektrodenring
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62 - Isolierring
63 - Elektrodenring
64 - Isolierring
65 - Metallring
Darin bilden die Elektrodenringe 53, 55 und 57 sowie die ring
förmigen piezoelektrischen Elemente 54 und 56 den Erregungs
wandler 70, und die Elektrodenringe 59 und 61 sowie das piezo
elektrische Element 60, den Empfangswandler 71 des Erregungs-
und Empfangswandlers 4. Das Isolierrohr 42 bildet die elektri
sche Isolierung der Spannschraube 41 gegenüber den Bestandtei
len des Piezostapels 50.
Alle Bestandteile des Piezostapels haben bei dem dargestellten
Beispiel vorzugsweise den gleichen ringförmigen Querschnitt,
so daß die Wandlersäule zylindrisch ist, und von der Spann
schraube 41 geführt wird.
An jeder Elektrode ist noch eine aus dem Piezostapel 50 heraus
ragende Lötfahne angeformt. Die Metallringe 51 und 65 bestehen
vorzugsweise aus Messing und dienen einerseits als Abstands
stücke zur Erzielung der erforderlichen Länge des Piezostapels
50 zwischen der Membran 31 und der 6kt-Mutter 43, und anderer
seits zur Übertragung der Kräfte auf die übrigen Bestandteile
des Stapels. Insbesondere besteht die Aufgabe der Metallringe
51, 65 darin, daß der von der 6kt-Mutter erzeugte Flächen
druck parallel auf die piezoelektrischen Elemente 54, 56, 60
übertragen wird und damit eine Biegung der sehr bruchempfind
lichen piezoelektrischen Elemente ausgeschlossen ist. Der Me
tallring 51 bewirkt, daß die von der Vorspannung und den
Schwingungen stammenden Verbiegungen der Membran 31 nicht auf
die piezoelektrischen Elemente 54, 56, 60 übertragen werden.
Auch diese Maßnahme verhindert, daß die bruchempfindlichen pi
ezoelektrischen Elemente auf Biegung beansprucht werden. Die
an dem Metallring 51 angeformten Druckzapfen 66, 67 dienen da
zu, die von den Erregungswandler 70 ausgehenden Längenverände
rungen der piezoelektrischen Elemente 54, 56 auf die Membran
31 zu übertragen. Die Druckzapfen 66, 67 sind symmetrisch ge
genüberliegend auf einem Kreisring angeordnet, welcher eine
Lage koaxial zur Symmetrieachse der Membran 31 einnimmt. Der
Durchmesser des Kreisringes ist so gewählt, daß die Symme
trieachse der Druckzapfen 66, 67 mit der Symmetrieachse der
Schwingstäbe 21, 22 zusammenfällt.
Da die zwischen Membran 31 und Metallring 51 angeordneten Druck
zapfen 66, 67 bewirken, daß der Metallring 51, und damit der
Piezostapel 50, sich stets gleichmäßig an der Membran abstützt,
ist es auch möglich, an den Metallring 51 wei
tere Druckzapfen anzuformen. Diese müssen dann so auf dem
Kreisring angeordnet sein, daß alle Druckzapfen einen gleichen
Abstand voneinander haben. Dadurch ist es möglich, außer den
dargestellten Schwingstäben 21, 22 weitere Schwingstäbe an der
Membran 31 anzuordnen, deren Symmetrieachse dann ebenfalls mit
der Symmetrieachse der Druckzapfen zusammenfallen muß. Dies
könnte dann notwendig werden, wenn mit der Vorrichtung 1 Flüs
sigkeiten sehr niedriger Viskosität festgestellt und/oder über
wacht werden sollen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung kann der Metallring 51,
zusammen mit den Zapfen 66 und 67, ein einziges Bauteil bilden.
Es ist aber auch möglich, die Druckzapfen 66, 67 einstückig mit
der Membran 31 herzustellen. Oder aber die Zapfen 66, 67 als
Einzelteile herzustellen und durch Schweißen, Kleben oder jede
andere dem Fachmann bekannte Verbindungstechnik mit der Membran
31 oder dem Metallring 51 zu verbinden.
In axialer Fortsetzung des Einschraubstückes 3 ist an diesem,
auf der den Schwingstäben 21, 22 abgewandten Seite ein nicht
dargestellter Elektronikkopf angeordnet. Er enthält die elek
tronische Schaltung der Vorrichtung 1. Er ist von einem Gehäu
se umgeben. Die zylindrische Ausnehmung 36, welche sich auf der
den Schwingstäben abgewandten Seite ein Stück axial erstreckt
und einen größeren Durchmesser als der Hohlraum 35 aufweist,
dient der Aufnahme des Elektronikkopfgehäuses. Die nicht dar
gestellte elektronische Schaltung ist über die Verbindungs
leitungen 44, 45, 46, 47 mit dem Erregungs- und Empfangswand
ler 4 elektrisch verbunden.
Der Erregungswandler 70 hat die Aufgabe, eine von der elektri
schen Schaltung über die Verbindungsleitungen 44, 45 geliefer
te Wechselspannung in mechanische Schwingungen der Schwingstä
be 21 und 22 umzuwandeln. Die beiden Elektroden 53 und 57 sind
mit dem einen Pol der Wechselspannungsquelle, vorzugsweise Mas
se, verbunden, und die Elektrode 55 ist an den anderen Pol der
Wechselspannungsquelle angeschlossen. Die piezoelektrischen
Elemente 54 und 56 sind daher elektrisch parallel und mecha
nisch in Serie geschaltet. In Folge der angelegten Wechselspan
nung erfährt jedes der piezoelektrischen Elemente 54 und 56 eine
Verformung (Dickenänderung) in der Achsrichtung des Piezosta
pels 50, die der angelegten Spannung proportional ist.
Die mechanischen Verformungen der piezoelektrischen Elemente
54 und 56 addieren sich, so daß für eine gegebene Größe der
angelegten Wechselspannung eine Verdoppelung der Längenän
derung des Piezostapels 50 erzielt wird.
Der Empfangswandler 71 hat die Aufgabe, die mechanischen
Schwingungen der Schwingstäbe 21, 22 und der Membran 31 in ein
elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln, welches der elektro
nischen Schaltung über die Verbindungsleitungen 46, 47 zuge
führt wird. Die Elektrode 63 liegt an Masse und dient zur Ab
schirmung des Empfangswandlers 71. Zur Abschirmung des Emp
fangswandlers 71 auf der anderen Seite wird die Tatsache aus
genutzt, daß die benachbarte Elektrode 57 des Erregungswand
lers 70 an Masse liegt, und somit sogleich als Abschirmelektro
de für den Empfangswandler 71 verwendet werden kann. Dadurch
erübrigt sich die Anbringung einer zusätzlichen Abschirmelek
trode auf dieser Seite des Empfangswandlers 71.
Die Funktion der Erregungs- und Empfangswandler 4 soll im fol
genden erläutert werden. Infolge der - durch die Spannschraube
41 und die 6kt-Mutter 43 über den Piezostapel 50 und die Druck
zapfen 66, 67 - erzeugten Vorspannung ist die Membran 31 konkav
durchgebogen, wodurch die Schwingstäbe 21 und 22 nach innen
verschwenkt sind. Die Vorspannkraft wird somit im Gegensatz zu
den bisher bekannten Stand der Technik nur von der Membran 31
elastisch aufgenommen und die Federwirkung der Membran 31
gleicht auch unterschiedliche Wärmeausdehnungen aus.
Wenn der Piezostapel 50 infolge der an den Erregungswandler 70
angelegten Wechselspannung gegenüber seiner Ruhelage vergrö
ßert ist, wird die vorgespannte Membran 31 noch weiter konkav
durchgebogen, wodurch die Schwingstäbe 21 und 22 weiter nach
innen verschwenkt werden. Wenn dagegen in der anderen Halbpe
riode der Wechselspannung die Länge des Piezostapels 50 gegen
über seiner Ruhelänge verkürzt ist, können die Schwingstäbe 21,
22 nach außen schwingen, während die Durchbiegung der Membran
31 zunächst zurückgeht und dann, je nach der eingestellten Vor
spannung, in eine entgegengesetzte Durchbiegung übergehen kann.
Die Durchbiegung ist in Wirklichkeit sehr klein und kann bei
spielsweise in der Größenordnung von einigen µm liegen.
Für den Fachmann ist nun erkennbar, daß durch die Wirkung des
Erregungswandlers 70 in dem Piezostapel 50 die Schwingstäbe 21
und 22 in gegensinnige Schwingungen quer zu ihren Längsachsen,
in gemeinsamen Ebenen, die die Längsachsen enthalten, versetzt
werden. Der dargestellte Aufbau und die Bemessung der Teile er
gibt eine große Übersetzungswirkung, so daß die zur Erzielung
einer ausreichenden Schwingungsamplitude erforderliche Verfor
mung der piezoelektrischen Elemente 54, 56 sehr klein ist. In
Folge der Gegensinnigkeit der Schwingungen heben sich die von
jedem Schwingstab 21, 22 auf die Einspannung der Membran 31
ausgeübten Wechselkräfte gegenseitig auf, so daß keine Schwin
gungsenergie durch Übertragung auf das Einschraubstück 3 und
die nicht dargestellte Behälterwand verloren geht.
Die Rückholfeder des aus den Schwingstäben 21, 22 und der Mem
bran 31 gebildeten mechanischen Schwingungssystems ist durch
die Membran 31 gebildet. Die Masse des mechanischen Schwin
gungssystems besteht einerseits aus der Masse der Schwingstäbe
21 und 22 und andererseits aus der von den Schwingstäben bei
der Schwingbewegung mitgenommenen Masse des umgebenden Mediums.
Diese mitgenommene Masse wird durch die quer zu der Schwin
gungsrichtung angeordneten Paddel 25 vergrößert. Die Eigenre
sonanzfrequenz des mechanischen Schwingungssystems hängt einer
seits von der Federkonstante des Federsystems ab, die als kon
stant angenommen werden kann, und andererseits von der Gesamt
masse, die in Abhängigkeit von der mitgeführten Masse veränder
lich ist. Wenn sich die Schwingstäbe 21, 22 mit ihren Paddeln
25 in Luft befinden, ist die mitgeführte Masse der Luft ver
nachlässigbar, und es stellt sich eine Eigenresonanzfrequenz
ein, die im wesentlichen durch die Masse der Schwingstäbe 21,
22 und der Membrandicke 31 bestimmt ist. Wenn dagegen die
Schwingstäbe 21, 22 mit ihren Paddeln 25 in ein Füllgut ein
tauchen, ändert sich die mitge
führte Masse und damit die Eigenresonanzfrequenz des mechani
schen Schwingungssystems. Die dargestellteForm der Paddel 25
ergibt unter Berücksichtigung der durch das Einschraubloch in
der Behälterwand vorgegebenen Beschränkung der Breite eine
optimale Wirkung. Es hat sich gezeigt, daß die durch die wei
tere Verlängerung der Paddel 25 über 60% der Schwingstablänge
hinaus erzielte Flächenvergrößerung keine wesentliche Verbes
serung hinsichtlich der Frequenzänderung mehr ergibt.
Die Erregung der Schwingungen des mechanischen Schwingungssy
stems erfolgt stets mit seiner Eigenresonanzfrequenz, auch wenn
diese sich ändert. Dies geschieht nach einem üblichen Verfahren
dadurch, daß das mechanische Schwingungssystem selbst als fre
quenzbestimmendes Glied eines elektrischen Schwingungserzeugers
dient. Zu diesem Zweck sind die beiden Elektroden 59 und 61 des
Empfangswandlers 71 mit dem Eingang eines nicht dargestellten
Verstärkers verbunden, an dessen Ausgangsklemmen einerseits die
Elektroden 53, 57 und andererseits die Elektrode 55 des Erre
gungswandlers 70 angeschlossen sind. Die Frequenz der an den
Erregungswandler 70 angelegten Wechselspannung folgt daher
stets der Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Schwingungs
systems.
Es hat sich gezeigt, daß sich mit dem beschriebenen Aufbau des
Schwingungssystems 21, 22, 31, und des Erregungs- und Empfangs
wandlers 4 bereits bei sehr geringfügigen Änderungen der mitge
führten Masse eine ausgeprägte Änderung der Eigenresonanzfre
quenz ergibt. Diese ausgeprägte Änderung der Eigenresonanzfre
quenz tritt auch bei den durch die konkave Vorspannung der
Membran 31 verursachten größeren Schwingungsamplituden der Schwing
stäbe 21, 22 auf.
Die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Empfangswandlers 71
gesteuerte, nicht dargestellte Einrichtung zur Auslösung von
Anzeige- und/oder Schaltvorgängen ist vorzugsweise so ausgebil
det, daß sie auf Frequenzänderungen anspricht. Es ist aber auch
ohne weiteres möglich, die von dem Ausgangssignal des Empfangs
wandlers gesteuerte Einrichtung so auszulegen, daß sie auf Än
derungen der Amplitude der Schwingstäbe 21, 22 anspricht. Unab
hängig von der Auswertung der Frequenzänderung oderAmplituden
änderung genügt eine verhältnismäßig kleine Wechselspannung zur
Ansteuerung des Erregungswandlers. Es hat sich gezeigt, daß mit
der beschriebenen Ausbildung eine Anregungsspannung von 10 V
zur Erzielung der Ansprechempfindlichkeit genügt. Die niedrige
Anregungsspannung ist insbesondere bei Anwendungen in explo
sionsgefährdeten Bereichen vorteilhaft.
Verbunden mit der niedrigen Anregungsspannung und der durch
die konkave Vorspannung der Membran 31 verursachten größeren
Schwingungsamplitude der Schwingstäbe 21, 22 ist eine geringe
erforderliche Anregungsleistung, die den Aufbau der elektroni
schen Schaltung vereinfacht und verbilligt. Auch kann der An
sprechpunkt sehr genau eingestellt werden. So ist es beispiels
weise möglich, den Übergang zwischen Luft und einem Schaum oder
zwischen einem Schaum und einer Flüssigkeit zu detektieren.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vor
bestimmten Füllstandes in einem Behälter, mit einem mechani
schen Schwingungsgebilde, das mindestens zwei in den Behäl
ter ragende Schwingstäbe aufweist, die im Abstand voneinan
der an einer am Rand eingespannten Membran befestigt sind,
einen in einem Stapel angeordneten Erregungs- und Empfangs
wandler, mit wenigstens einem von einer Wechselspannung er
regbaren piezoelektrischen Element zur Erregung der Schwing
stäbe in gegensinnige Schwingungen quer zu ihrer Längsachse,
und wenigstens einem piezoelektrischen Element zum Empfangen
und Umwandeln der Schwingungen des mechanichen Schwingungs
gebildes in ein elektrisches Ausgangssignal,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- a) auf der den Schwingstäben (21, 22) abgewandten Seite der Membran (31) ist eine Spannschraube (41) fest mit der Membran (31) verbunden,
- b) der Erregungs- und Empfangswandler (4) ist von der Spann schraube (41) durchdrungen,
- c) der Erregungs- und Empfangswandler (4) ist unter konkaver Vorspannung der Membran (31) zwischen der Membran (31) und einer Sechskant-Mutter (43) eingespannt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Erregungs- und Empfangswandler (4) aus einem Stapel
(50) ringförmiger piezoelektrischer Elemente (54, 56,
60), Elektrodenringen (53, 55, 57, 59, 61, 63),
Isolierringen (52, 58, 62, 64), Metallringen (51,
65) sowie der Spannschraube (41) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (31) durch Festziehen oder Lösen der Sechskant-Mutter
(43) an der Spannschraube (41) unter gleichzeitiger Ausrich
tung und Befestigung des Piezostapels (50) vorgespannt und
eingestellt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannschraube (41) von einem Isolierkörper (42) um
schlossen ist, welcher die elektrische Isolation zwischen
der Spannschraube (41) und dem Piezostapel (50) bildet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallringe (51, 65) an den Enden des Piezostapels
(50) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß einer der Metallringe (51) an dem der Membran (31) zugewandten
Ende des Piezostapels (50) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß zwischen der Membran (31) und dem Metallring (51) Druck
zapfen (66, 67) eingespannt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Druckzapfen (66, 67) in gleichem Ab
stand auf einem Kreisring angeordnet sind, dessen Symme
trieachse mit der Symmetrieachse der Membran (31) zusammen
fällt, und jeder Druckzapfen (66, 67) einem Schwingstab
(21, 22) zugeordnet ist, dessen Symmetrieachse mit der
Symmetrieachse des zugeordneten Druckzapfens (66, 67)
zusammenfällt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein weiterer, nicht an einem ringförmigen
piezoelektrischen Element anliegender, auf Massepotential
liegender Elektrodenring (63) als Abschirmung für das ring
förmige piezoelektrische Element (60) des Empfangswandlers
(71) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das ringförmige piezoelektrische Element (60) des Emp
fangswandlers (71) mit seinen auf beiden Seiten anliegen
den Elektrodenringen (59, 61) unter Einfügung von Iso
lierringen (58, 64) zwischen einem auf Massepotential
liegenden Elektrodenring (57) des Erregungswandlers (70)
und einem weiteren Elektrodenring (63) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Erregungswandler (70) zwei elektrisch parallel und
mechanisch in Serie geschaltete ringförmige piezoelektri
sche Elemente (54, 56) enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Bestandteile des Piezostapels (50) im wesentlichen
den gleichen ringförmigen Querschnitt haben.
13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem Elektrodenring (53, 55, 57, 59, 61,
63) eine Lötfahne angeformt ist, über welche die Elektro
denringe mit den Verbindungsleitungen (44, 45, 46, 47)
elektrisch verbunden sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (31) aus einem nicht von dem Hohlraum (35)
des Einschraubstückes (3) durchdrungenen Bereich gebildet
ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwingstäbe (21, 22) so bemessen sind, daß sie
durch die Öffnung eines Behälters einführbar sind.
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