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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung, Kontrolle und/oder
Feststellung eines Füllstandes
eines Füllgutes
in einem Behälter
mit einem ersten Schwingungselement, dessen Schwingungen durch Berührung mit
Füllgut
gedämpft
werden, wobei das erste Schwingungselement bei Gebrauch in den Behälter hineinragt
und rohrförmig
ausgebildet ist, und wobei in dem Hohlraum dieses ersten rohrförmigen Schwingungselements
ein zweites stabförmiges Schwingungselement
angeordnet ist, welches die gleiche Resonanzfrequenz wie das erste
Schwingungselement hat und in Gegenphase dazu schwingt, wobei das
erste Schwingungselement an einer federnden Membran gelagert ist,
die einen wenigstens ein Piezoelement aufweisenden Schwingungsantrieb
und einen separaten, vom Schwingungsantrieb beabstandeten und wenigstens
ein Piezoelement aufweisenden Schwingungsabgriff aufweist und mit
ihrem äußeren Rand
mit einer Platte verbunden ist, welche das zweite stabförmige Schwingungselement
trägt,
so dass die Schwingungselemente zu einem Schwingungssystem verbunden
sind.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus
DE 31 40 938 C2 bekannt und hat sich bewährt. Durch
den Aufbau dieses Schwingungssystems kann erreicht werden, dass
nahezu keine Schwingungsenergie zur Behälterwandung, durch welche die
Vorrichtung in den Behälter
hineinragt, verloren geht, so dass diese Vorrichtung eine große Empfindlichkeit
auch gegenüber sehr
leichten Füllgütern hat.
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Der
Schwingungsantrieb und der Schwingungsabgriff wird dabei jeweils
durch ein scheibenförmiges
Piezoelement gebildet, wobei die beiden Piezoelemente in der Schwingungsebene
auf der dem Behälterinneren
abgewandten Seite der Membrane einander auf einem Durchmesser gegenüberliegend aufgeklebt
sind. An das als Schwingungsantrieb dienende Piezoelement wird eine
Wechselspannung angelegt. Dadurch ergibt sich eine periodische Veränderung
des Durchmessers, wodurch die Membran entsprechend deformiert und
damit das System zu Schwingungen angeregt wird. Das andere Piezoelement
wird durch die periodische Deformation der Membran bei deren Schwingungsvorgang
Kräften ausgesetzt,
wodurch dieses Piezoelement ein Wechselspannungs-Signal abgibt.
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Die
von dem Piezoelement auf die Membrane übertragenen Wechselkräfte und
umgekehrt die von der Membrane auf das zweite Piezoelement übertragenen
Wechselkräfte
werden durch Scherkräfte
von dem Kleber übertragen,
mit welchem die Piezoelemente an der Membrane befestigt sind. Da die
Piezoelemente unmittelbar auf die Membran aufgeklebt sind, die ihrerseits
direkt mit Füllgut
in Berührung
kommt, sind die Piezoelemente und insbesondere der sie befestigende
Kleber auch der Temperatur des Füllgutes
ausgesetzt. Dadurch kann vorkommen, dass zum Beispiel durch rasche
Temperaturänderung
oder zu hohe Temperatur des Füllguts
die Klebestelle geschädigt
wird. Ebenso kann durch mechanische Schläge auf das Schwingungssystem
sowohl die Klebestelle als auch das jeweilige Piezo element überlastet
werden und brechen, wodurch die gesamte Vorrichtung unbrauchbar
wird.
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Aus
DE 42 03 715 C2 ist
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, zu der als
ein wesentliches Element eine Wippe gehört, die eine Drehachse benötigt und
entsprechend dreh- beziehungsweise schwenkbar gehalten sein muss.
Diese Wippe nimmt die von den Piezoelementen ausgehenden Hubbewegungen
auf und gibt sie an Bolzen weiter, die mit der Membran verbunden
sind. Bei diesem Wippensystem gibt es insgesamt fünf Berührungs- beziehungsweise Übertragungspunkte,
an denen Hubbewegung beziehungsweise Bewegungsenergie der Piezoelemente
verloren gehen kann, nämlich zwei
solche Berührungspunkte
an den Enden der Piezoelemente, zwei Berührungspunkte am Bolzen, davon
einer an der Verschraubung mit Zwischenelement und der zweite zwischen
Bolzenkopf und Wippe, und schließlich noch die Verschraubungsstelle zwischen
Wippe und Bolzen. Da von Piezoelementen nur geringe Hubbewegungen
geliefert werden können,
ist es ungünstig,
wenn diese Hubbewegungen über
so viele Übertragungspunkte
geführt
werden müssen,
weil dabei mehr oder weniger Hubbewegung verloren gehen kann.
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Aus
DE 41 18 793 A1 ist
eine Vorrichtung anderer Gattung bekannt, bei welcher ein Stapel
von ringförmigen
Piezoelementen mit einem Halteelement zusammenwirkt.
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Es
besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei welcher die Piezoelemente auch bei mechanischer Überlastung
gegen Bruch geschützt
sind und hohe Temperaturen für
die Befestigung der Piezoelemente unschädlich sind, und eine gute und
effektive Kraftübertragung
ermöglichen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt mit den Mitteln und Merk malen des Patentanspruchs
1.
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Die
Piezoelemente sind also nicht mehr an der Membrane angeklebt, sondern
liegen an der Platte an und sind mit der Membrane indirekt über die Halteelemente
verbunden, so dass die Kraftübertragung
von den Piezoelementen zur Membrane und zurück über die stift- oder bolzenförmigen Halteelemente
erfolgt.
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Die
Halteelemente sind also Gewindebolzen mit einem Außengewinde,
auf welchem als Gegenhalter wenigstens eine Mutter angeordnet ist,
die das oder die jeweiligen Piezoelemente in Gebrauchsstellung direkt
oder über
wenigstens eine Zwischenscheibe, vorzugsweise über zwei Zwischenscheiben, an
der Platte festlegt. Gewindebolzen sind gängige Maschinenelemente, die
mit ihren Außengewinden eine
sehr einfache Anbringung von Gegenhaltern in Form von Muttern erlauben,
wobei auch deren Lage relativ zu den Piezoelementen oder diese beaufschlagenden
Zwischenscheiben aufgrund des Gewindes in gewünschter Weise präzise eingestellt
werden kann.
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Besonders
günstig
ist es dabei, wenn als Gegenhalter zwei Muttern, nämlich eine
Mutter mit einer Kontermutter, vorgesehen sind. Dadurch kann die
jeweilige Einstellung spielfrei gewählt und fixiert werden.
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Dabei
können
die Halteelemente die Platte berührungslos
durchsetzen und insbesondere rechtwinklig zu der Membran mit einer
Stirnseite an dieser angreifen. Beispielsweise können die Halteelemente mit
der Membrane verschweißt
oder verlötet
sein.
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Somit
kann die Kraftübertragung
von den Piezoelementen zu der Membrane und wieder zurück über die
bolzenförmigen
Halteelemente erfolgen, die als Zug- und/oder Druckbolzen wirksam
sein können.
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Die
bolzenförmigen
Halteelemente können die
Platte mit Spiel durchsetzen und die Piezoelemente auf der der Membran
abgewandten Seite an der Platte anliegen und von den Gegenhaltern
fixiert sein. Dadurch ergibt sich ein robuster Aufbau, bei welchem
die Piezoelemente einen relativ großen Abstand von der Membran
haben und somit auch einen entsprechenden Abstand von dem Füllgut erhalten, so
dass sich hohe Temperaturen dieses Füllguts nicht auf die Piezoelemente
auswirken können.
Praktisch werden die Piezoelemente durch die Platte nicht nur abgestützt, sondern
auch abgeschirmt.
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Für eine gute
und effektive Kraftübertragung ist
es zweckmäßig, wenn
die bolzenförmigen
Halteelemente in axialer Richtung mit einer über sie und die Gegenhalter
direkt oder über
wenigstenes eine oder mehrere Zwischenscheiben auf die Piezoelemente wirkenden
Druckkraft axial beaufschlagt und/oder vorgespannt sind. Dadurch
kann das gesamte Schwingungssystem robust gemacht und an in der Praxis
häufig
rauhe Betriebsbedingungen angepasst werden. Durch eine solche Vorspannung
kann nämlich
erreicht werden, dass selbst bei mechanischer Überlastung durch Schlag oder
durch seitliche Kräfte,
welche das rohrförmige äußere Schwingungselement
oder die Membran sogar leicht verbiegen, die Piezoelemente weder
von ihrer Auflage abgehoben noch beschädigt werden können und
einen fehlerfreien Betrieb erlauben, solange das äußere rohrförmige Schwingungselement
das innere stabförmige Schwingungselement
nicht berührt.
Ferner werden durch diese Maßnahmen
die sehr kleinen Hubbewegungen der Piezoelemente mit erheblich besserem Wirkungsgrad
zu der Membran und wieder zurückübertragen,
weil ohne eine solche Vorspannung eventuell vorhandene minimale
Fugen oder Spalten auf jeden Fall vermieden werden, wodurch die
Funktion und die Empfindlichkeit der Vorrichtung beziehungsweise
eines entsprechenden Gerätes
weiter verbessert werden.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung insbesondere betreffend die Vorspannung der Halteelemente
kann darin bestehen, dass in einem festliegenden Abstand zu der
der Membran abgewandten Oberfläche
der Platte eine Druckplatte vorgesehen und zwischen dieser Druckplatte
und den Halteelementen auf diese wirkende Federn angeordnet sind.
Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, eine axiale
Druckkraft und Vorspannung auf die beiden Halteelemente aufzubringen,
die dennoch die Schwingungen weiterhin übertragen können.
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Die
auf die bolzenförmigen
Halteelemente wirkenden Federn können
Druckfedern, insbesondere Tellerfedern sein, die zwischen der Druckplatte und
dem die Bolzen fixierenden Gegenhalter oder der Mutter eingespannt
sein können.
Somit behalten die Halteelemente die Möglichkeit, in axialer Richtung
zu schwingen, während
sie aber gleichzeitig auch in dieser Richtung vorgespannt sind.
Tellerfedern haben dabei den Vor teil, nur wenig Platzbedarf zu haben
und durch ihre flache Kennlinie eine von der Schwingung unabhängige konstante
Kraft auszuüben.
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Dabei
können
jeweils mehrere Tellerfedern als Federpaket vorgesehen sein, so
dass durch eine entsprechende Auswahl und Anordnung der Federn auch
die Vorspannung und der Federweg optimiert werden können.
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Die
Druckplatte kann mit einem die Membran und die Platte aufweisenden
Gehäuse
und/oder über wenigstens
ein Befestigungselement mit der Platte zumindest in axialer Richtung
fest verbunden sein. Die Druckplatte kann also beispielsweise mit
Hilfe einer sie durchsetzenden Distanzschraube mit der Platte verbunden
sein, um den festen Abstand zu der Platte vorzugeben oder sie kann
stattdessen oder zusätzlich
mit dem Gehäuse
zumindest in axialer Richtung Formschluss haben.
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Wird
an das oder die Piezoelemente des einen Halteelements eine Wechselspannung
angelegt, wird die daraus resultierende Dickenschwingung dieses
Piezoelements über
das bolzenförmige
Halteelement auf die Membrane übertragen,
die dadurch das äußere Schwingungselement
zu Schwingungen anregt. Entsprechend wirken – wenn das System schwingt – Wechselkräfte von
der Membran über
das zweite bolzenförmige
Halteelemente auf dessen Piezoelement oder Piezoelemente, so dass
dieses eine Wechselspannung erzeugt, die in bekannter Weise einem
Verstärker
zugeführt
werden kann, dessen Ausgangssignal dem ersten Piezoelement zugeführt wird,
um ein rückgekoppeltes
System zu erhalten, das auf der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungsgebildes
schwingt und in bekannter Weise als Füllstandsgrenzschalter verwendet
werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Piezoelemente
sich von ihrer Befestigungsstelle lösen oder bei mechanischer Überlastung
der gesamten Anordnung brechen.
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Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt in
zum Teil schematisierter Darstellung:
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1 einen
Längsschnitt
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei die Schnittebene durch die Befestigungsstellen der bolzenförmigen Halter
für die
Piezoelemente verläuft
und das äußere und
das innere Schwingungselement nur über einen Teil ihrer Länge dargestellt
sind, sowie
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2 in
vergrößertem Maßstab einen Schnitt
durch die Befestigungsstelle der Piezoelemente an einem der bolzenförmigen Halteelemente, die
der Anordnung an dem anderen bolzenförmigen Halteelement entspricht.
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Eine
im Ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung dient zur Messung,
Kontrolle und/oder Feststellung eines Füllstandes eines Füllgutes
in einem Behälter
beziehungsweise als Füllstandsgrenzschalter, der
beim Befüllen
eines Behälters
den Füllvorgang bei
Erreichen eines entsprechenden Füllstandes
abschaltet.
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Die
Vorrichtung 1 weist ein erstes Schwingungselement 2 auf,
dessen Schwingungen durch Berührung
mit Füllgut
gedämpft
werden können,
wobei das erste Schwingungselement 2 bei Gebrauch in den
nicht näher
dargestellten Behälter
insbesondere etwa horizontal oder leicht geneigt beziehungsweise schräg oder gegebenenfalls
vertikal hineinragt und rohrförmig
ausgebildet ist. In dem Hohlraum dieses ersten rohrförmigen Schwingungselements 2 ist
ein zweites stabförmiges
Schwingungselement 3 angeordnet, welches die gleiche Resonanzfrequenz
wie das erste Schwingungselement 2 hat und in Gegenphase
dazu schwingt.
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Das
erste Schwingungselement
2 ist dabei an einer federnden
Membran
4 gelagert, die einen wenigstens ein (erstes) Piezoelement
5 aufweisenden
Schwingungsantrieb und einen wenigstens ein (zweites) Piezoelement
6 aufweisenden
Schwingungsabgriff aufweist. Diese Membran
4 ist mit ihrem Rand
mit einer Platte
7 verbunden, welche das zweite stabförmige Schwingungselement
3 trägt, so dass die
Schwingungselemente
2 und
3 zu einem Schwingungssystem
verbunden sind. Dieses Schwingungssystem könnte dabei auch den Ausführungsformen der
EP 0 628 793 B1 entsprechen.
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Sowohl
in 1 als auch in 2 erkennt man
deutlich, dass die Piezoelemente 5 und 6 ringförmig ausgebildet
sind, jeweils von einem ein Gewinde aufweisenden stift- oder bolzenförmigen Halteelement 8 durchsetzt
werden und direkt oder indirekt in noch zu beschreibender Weise
mit einem auf das Gewinde der Halteelemente 8 passenden
beziehungsweise aufschraubbaren Gegenhalter 9 in Gebrauchsstellung
in Anschlagposition an der Platte 7 gehalten sind, sich
also an dieser abstützen,
wobei die als Bolzen ausgebildeten Halteelemente 8 an der Membrane 4 angreifen
und in noch zu beschreibender Weise mit dieser verbunden sind. Ferner
erkennt man, dass jeweils mehrere, nämlich zwei Piezoelemente 5 und
zwei Piezoelemente 6 zur Vergrößerung der axialen Bewegungen
in bekannter Weise elektrisch parallel und mechanisch in Serie geschaltet vorgesehen
sind.
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Die
Halteelemente 8 sind dabei Gewindebolzen mit einem Außengewinde,
auf welchem als Gegenhalter 9 wenigstens eine Mutter angeordnet
ist, die das oder die jeweiligen Piezoelemente 5 und 6 in Gebrauchsstellung
direkt oder über
wenigstens eine Zwischenscheibe, im Ausführungsbeispiel über eine Unterlegscheibe 10 und
zwei Isolierscheiben 18 an der Platte 7 festlegt.
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Dabei
erkennt man in beiden Figuren, dass als Gegenhalter 9 zwei
Muttern, nämlich
eine auf die Piezoelemente 5 und 6 über eine
Zwischenscheibe 10 und eine Isolierscheibe 18 wirkende
erste Mutter und eine Kontermutter 11 vorgesehen sind,
wodurch die gesamte Anordnung spielfrei gemacht werden kann. Vor
allem kann ein Spiel zwischen Mutter und Gewinde des bolzenförmigen Halteelements 8 eliminiert
werden.
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Durch
die Isolierscheiben 18 zwischen den Piezoelementen 5 und 6 und
der Unterlegscheibe 10 beziehungsweise der Platte 7 erreicht
man, dass die Elektroden 16 der Piezoelemente und die damit
verbundene elektronische Schaltung galvanisch von dem metallischen
Gehäuse 17 der
Sonde getrennt sind. Wenn das nicht erforderlich ist, können diese Isolierscheiben 18 auch
weggelassen werden.
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Die
Halteelemente 8 durchsetzen die Platte 7 berührungslos
beziehungsweise mit Spiel und greifen rechtwinklig zur Membran 4 mit
einer Stirnseite an dieser an und sind im Ausführungsbeispiel mit der Membran 4 verschweißt oder
gegebenenfalls verlötet.
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Die
Piezoelemente 5 und 6 sind dabei auf der der Membran 4 abgewandten
Seite der Platte 7 angeordnet und von den Gegenhaltern 9,
also den Muttern mit Kontermutter 11 fixiert. Die Piezoelemente 5 und 6 sind
also von der Membran 4 beabstandet und durch die Platte 7 sogar
abgeschirmt. Dabei erkennt man in den Ausführungsbeispielen jeweils zwei gestapelte
Piezoelemente 5 und auch zwei gestapelte Piezoelemente 6 zur
Verstärkung
ihrer Effektivität.
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In 1 und
vor allem in 2 erkennt man, dass die bolzenförmigen Halteelemente 8 in
axialer Richtung mit einer über
sie und die Gegenhalter 9 direkt beziehungsweise über die
Unterlegscheiben 10 auf die Piezoelemente 5 und 6 wirkenden
Druckkraft axial beaufschlagt und/oder vorgespannt sind, so dass
die sehr kleinen Hubbewegungen der Piezoelemente 5 und 6 mit
erheblich besserem Wirkungsgrad zu der Membran 4 hin und
auch wieder zurück übertragen
werden. Entsprechend hoch ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung 1.
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Zu
diesem Zweck ist in einem festliegenden Abstand zu der der Membran 4 abgewandten
Oberfläche
der Platte 7 eine Druckplatte 12 vorgesehen und
zwischen dieser Druckplatte 12 und den bolzenförmigen Halteelementen 8 sind
auf diese wirkende Federn, nämlich
als Tellerfedern 13 ausgebildete Druckfedern, angeordnet.
Dabei sind diese Tellerfedern 13 zwischen der Druckplatte 12 und
dem die Bolzen beziehungsweise Halteelemente 8 fixierenden
Gegenhalter 9 eingespannt, was besonders gut in 2 zu
erkennen ist. Die mehreren Tellerfedern 13 sind dabei jeweils
als Federpaket ausgebildet, um eine entsprechend hohe Druckkraft
und Vorspannung auf engem Raum erzeugen zu können.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
die Druckplatte 12 über
wenigstens ein Befestigungselement 14, bevorzugt über mehrere
derartige Befestigungselemente 14, zum Beispiel Halteschrauben, mit
der Platte 7 in axialer Richtung fest verbunden. Es wäre aber
auch möglich,
die Druckplatte 12 mit einem die Membran 4 und
die Platte 7 aufweisenden Gehäuse 17 zumindest in
axialer Richtung formschlüssig
zu verbinden oder festzulegen, wodurch das oder die im Inneren verlaufenden
Befestigungselemente oder Befestigungsschrauben 14 ergänzt oder
eventuell sogar ersetzt werden könnten.
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In
den Zeichnungen sind auch noch Isolierhülsen 15 zwischen den
Halteelementen 8 und den Piezoelementen 5 und 6 zu
erkennen, wodurch verhindert wird, dass die im Bereich der Piezoelemente vorgesehenen,
ebenfalls ringförmigen
Elektroden 16 kurzgeschlossen werden.
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Die
Vorrichtung 1 zur Messung, Kontrolle und/oder Feststellung
eines Füllstandes
eines Füllgutes
in einem Behälter,
die insbesondere auch als Füllstandsgrenzschalter
verwendbar ist, weist in üblicher
Weise ein erstes rohrförmiges
Schwingungselement 2 und ein darin mit Abstand angeordnetes
stabförmiges
Schwingungselement 3 auf, wobei das erste Schwingungselement 2 an
einer federnden Membran 4 gelagert ist und wobei ein wenigstens
ein (erstes) Piezoelement 5 aufweisender Schwingungsantrieb
und ein wenigstens ein (zweites) Piezoelement 6 aufweisender
Schwingungsabgriff mit der Membran 4 zusammenwirken. Die
Piezoelemente 5 und 6 sind dabei ringförmig ausgebildet,
werden jeweiss von einem ein Gewinde aufweisenden stift- oder bolzenförmigen Halteelement 8 durchsetzt
und sind direkt oder indirekt mit einem ein zu dem Gewinde der Halteelemente 8 passenden
und entsprechend einstellbaren Gegenhalter 9 in Gebrauchsstellung
in Anschlagposition an der Platte 7 gehalten, wobei die
Halteelemente 8 an der Membrane 4 angreifen oder
mit dieser verbunden sind, so dass sich dadurch eine indirekte Verbindung
zwischen der Membrane 4 und den Piezoelementen 5 und 6 ergibt.