DE19621449A1 - Vibrationsresonator, Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationsresonators und Vibrations-Füllstand-Grenzschalter mit einem solchen Vibrationsresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrationsresonator zur Füllstands­ auswertung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationsresonators und einen Vi­ brations-Füllstand-Grenzschalter mit einem solchen Vibrations­ resonator.

Vibrations-Füllstand-Grenzschalter enthalten als Sensorelement einen Vibrationsresonator, welcher beispielsweise als Gabel- oder Rohrschwinger zur Detektion flüssiger oder pulverartiger Medien in der industriellen Füllstandmeßtechnik eingesetzt wird. Aus den Dokumenten DE 39 31 453 C1, DE 41 18 793 A1, DE 42 03 715 A1, DE 42 32 719 A1 und DE 44 39 879 C1 sind solche Vor­ richtungen bekannt, mit denen das Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter festgestellt werden kann. Diese auch als Grenzstandgeber, Grenzschalter oder Vibrationsfüll­ standsensoren bezeichneten Vorrichtungen lösen bei bestimmten Füllhöhen Schaltbefehle aus. Sie können als Maximum- oder Minim­ umschalter eingesetzt werden. Maximumschalter verhindern bei­ spielsweise das Überfüllen von Behältern durch Abschalten der Fördereinrichtung. Minimumschalter erzeugen dagegen bei Absinken des Füllgutes unter einen vorbestimmten Minimalstand Schaltbe­ fehle. Solche Minimumschalter werden oft als Trockenlaufschutz für Fördereinrichtungen eingesetzt.

Im allgemeinen weisen diese bekannten Vorrichtungen zwei oder mehrere in den Behälter ragende Schwingstäbe auf, die in einer vorbestimmten Höhe des Behälters angeordnet werden. Die Schwingstäbe sind Bestandteil eines Vibrationsresonators, also eines mechanischen Schwingungssystemes. An der ihrem distalen Ende abgewandten Seite sind die Schwingstäbe an einer Membran, die an ihrem Rand eingespannt ist, befestigt.

Auf der den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran ist eine Piezoeinrichtung angeordnet, um die Schwingstäbe einerseits zu erregen und andererseits deren Schwingungen zu detektieren. Bei den bisher bekannten Vorrichtungen besteht die Piezoeinrichtung regelmäßig aus in ihrer Funktion voneinander völlig getrennten Erregungs- und Empfangswandlern mit mindestens jeweils einem piezoelektrischen Element.

Die Amplitude der vom Erregungswandler aufgrund der angelegten Wechselspannung hervorgerufenen Schwingungen wird durch den Empfangswandler erfaßt, der die mechanischen Schwingungen der Schwingstäbe und der Membran in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Damit dieses elektrische Ausgangssignal der elektro­ nischen Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt werden kann, müs­ sen die beiden Elektroden des Empfangswandlers, an denen das Ausgangssignal des Empfangswandlers abgreifbar ist, über zwei weitere Leitungsdrähte mit der elektronischen Steuer- und Aus­ werteeinheit verbunden sein. Das in der Steuer- und Auswerteein­ heit an den beiden Leitungsdrähten abgreifbare Signal ist ein Maß zur Feststellung, ob der Behälter bis zur Höhe der darin angeordneten Schwingvorrichtung gefüllt ist.

Ein vereinfachtes Blockschaltbild eines bekannten Grenzschalters gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 5 dargestellt. Ein derartiger Grenzschalter gibt im wesentlichen die prinzipiellen Anordnungen für Grenzschalter gemäß der DE 42 32 719 A1 oder der DE 44 39 879 C1 wieder.

Der Vibrationsresonator ist mit 1 bezeichnet, welcher ein Er­ reger-Piezoelement 6 und ein Detektions-Piezoelement 2 enthält.

Das Ausgangssignal des Vibrationsresonators 1 wird einem Ein­ gangsverstärker 3 zugeführt. Das vom Eingangsverstärker ver­ stärkte Signal gelangt über ein Bandfilter 4 zum Eingang eines Endverstärkers 5, dessen Ausgang mit dem Eingang des Vibrations­ resonators 1 verbunden ist.

Die Schwingungen des Vibrationsresonators 1 werden vom Piezo­ element 2 detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt, welches dann vom Eingangsverstärker 3 verstärkt wird. Das Band­ filter 4 dient dazu, die Grundwellenschwingung des Ausgangssi­ gnals des Vibrationsresonators 1 herauszufiltern. Diese Grund­ wellenschwingung wird vom Endverstärker 5 verstärkt und dieser steuert das Erreger-Piezoelement 6 an, welches den Vibrations­ resonator 1 antreibt.

In Fig. 5 ist lediglich jeweils ein einzelnes Piezoelement 2 und 6 dargestellt. Anstelle eines einzelnen Piezoelementes wer­ den in der Praxis häufig mehrere mechanisch in Reihe geschaltete Piezoelemente verwendet, um eine für die Anwendung ausreichende Antriebsamplitude zu erhalten, denn Sensoren, die auf Vibra­ tionsesonatoren basieren, bedürfen systembedingt der Schwin­ gungserregung. Da sie infolge von Füllgutkontakt dem Schwin­ gungsenergieabfluß unterliegen, kann ein dem Schwingelement zugeführtes Mindestmaß an Antriebsenergie nicht unterschritten werden.

Nachteilig an diesen bekannten Vorrichtungen ist, daß für An­ trieb und Detektion stets getrennte Signalwege vorgesehen wer­ den, die zwischen der Resonatoreinrichtung und der elektroni­ schen Steuer- und Auswerteeinheit mindestens drei, aus Gründen der Störfestigkeit in der Praxis jedoch vier, Zuleitungsdrähte erforderlich macht. Außerdem sind bei den bekannten Vorrichtun­ gen die Erregungs- und Empfangswandler jeweils separat durch eigene piezoelektrische Elemente realisiert. Die piezoelektri­ schen Elemente des Erregungswandlers müssen von den piezoelek­ trischen Elementen des Empfangswandlers elektrisch isoliert werden, was zusätzlichen Herstellungsaufwand bedeutet. Die hohe Anzahl von Teilen und Leitungen bei den bekannten Vorrichtungen erhöht die Gefahr von Fertigungsfehlern und senkt sowohl die Gesamtzuverlässigkeit als auch den Gesamtwirkungsgrad eines derartigen Sensorsystemes, insbesondere bei Hochtemperaturanwen­ dungen. Vor allem erhöht im Kraftverlauf zwischen dem Antriebs­ piezo und der Membran jedes eingesparte mechanische Teil und jede eingesparte mechanische Wegstrecke den Antriebswirkungs­ grad, da das Piezoelement nur äußerst geringen Antriebshub zur Verfügung stellen kann und jedes im Kraftverlauf zwischenge­ schaltete Element einen Teil des Hubes aufzehrt. Solche hub­ aufzehrenden Elemente, die bislang unverzichtbarer Bestandteil von Piezoantriebs- und -detektionsstapeln waren, sind Isolier­ zwischenlagen, Elektrodenzwischenlagen und Detektionspiezos und vor allem die bezüglich Langzeitstabilität undefinierbaren Grenzflächen zwischen den vorgenannten Stapelelementen. Auch jeder Teil eingesparter Wegstrecke der kraftübertragenden Zug- und Druckbolzen, deren Länge durch die Baulänge des Piezo-An­ triebs-/Detektionsstapels festgelegt ist, vermeidet Antriebs­ amplitudenverluste. Schließlich schafft die reduzierte Baulänge einer Zweipol-Piezoantriebs-/detektionsbaugruppe auch die Vor­ aussetzung für eine verringerte Baulänge des die Piezobaugruppe umschließenden Edelstahl-Einschub-/Befestigungsteils und somit Material- und Kosteneinsparungen.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei der Verwendung bisher bekannter Systeme im explosionsgefährdeten Bereich. Dort müssen Piezoelemente stringent gegen die Gefahr von infolge mechani­ scher Stöße verursachter Spannungsspitzen abgesichert werden. Hierzu sind für jedes Anschlußleitungspaar dreifach ausgeführte antiserielle Z-Dioden-Schutzschaltungen vorgeschrieben, die neben einer Erhöhung des Herstellaufwandes der bekannten Vor­ richtungen auch nachteiligerweise eine Volumenvergrößerung zur Folge haben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsresonator zur Füllstandauswertung anzugeben, der im Vergleich zu den bisher bekannten Vibrationsresonatoren erheb­ lich einfacher aufgebaut ist und dadurch eine geringere Stör­ anfälligkeit aufweist. Zusätzlich soll ein Verfahren zum Betrei­ ben eines solchen Vibrationsresonators und ein Vibrations-Füll­ stand-Grenzschalter mit einem solchen Vibrationsresonator ange­ geben werden.

Diese Aufgabe wird für den Vibrationsresonator durch die Merkma­ le des Anspruchs 1, für das Verfahren durch die Merkmale des An­ spruchs 12 und für den Vibrations-Füllstand-Grenzschalter durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Weiterbildende Merkmale sind in den sich jeweils anschließenden abhängigen Unteransprü­ chen angegeben.

Der erfindungsgemäße Vibrationsresonator zur Füllstandauswertung besteht im wesentlichen aus einem an einer Halterung angebrach­ ten mechanischen Schwingungssystem, das mindestens zwei Schwingstäbe aufweist, die im Abstand zueinander an einer am Rand festgelegten Membran befestigt sind. Auf der den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran ist eine als elek­ trischer Zweipol ausgebildete Piezoeinrichtung angeordnet, die sowohl zur Erregung der Schwingstäbe als auch zur Detektion der Schwingungen der Schwingstäbe vorgesehen ist. Die als Zweipol ausgebildete Piezoeinrichtung weist mindestens ein Piezoelement mit zwei Elektroden auf, welche über jeweils eine Leitungsader einer Zweidrahtleitung mit einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit verbunden sind.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Vorrichtungen ist der ent­ scheidende Unterschied bei der Vorrichtung nach der Erfindung darin zu sehen, daß die Piezoeinrichtung lediglich zwei An­ schlüsse, über die das in der Piezoeinrichtung vorzusehende mindestens eine Piezoelement mit der Steuer- und Auswerteeinheit elektrisch verbunden ist, benötigt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es nicht zwingend notwendig ist, separate Erre­ gungs- und Empfangswandler mit jeweils eigenen Piezoelementen vorzusehen. Es ist vielmehr auch möglich, ein und dasselbe Pie­ zoelement, bei geschickter Ansteuerung und Auswertung durch die Steuer- und Auswerteeinheit, sowohl zur Schwingungserregung als auch zur Schwingungsdetektion heranzuziehen. Damit beschreitet die vorliegende Erfindung eines Vibrationsresonators zur Füll­ standauswertung mit einem Zweipol zur Schwingungserregung und Schwingungsdetektion einen völlig neuen Weg bei der Realisierung von Vibrationsfüllstandssensoren.

Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist die im Vergleich zu den bisher bekannten Vibrationsresonatoren erhebliche Redu­ zierung an notwendigen Komponenten, da anstelle der bisher übli­ chen vier Zuleitungen nur zwei Zuleitungen notwendig sind und auch die Anzahl der notwendigen Piezoelemente erheblich redu­ ziert ist. Durch die Verwendung lediglich eines einzigen Piezo­ elementes verringern sich auch die zuvor erwähnten Schutzmaß­ nahmen erheblich. Außerdem wird die Fehleranfälligkeit des Sy­ stems verringert. Durch die Verringerung der notwendigen Bau­ elementenanzahl kann das Volumen des Vibrationsresonators eben­ falls reduziert werden.

Aufgrund des kompakten Aufbaus eines derartigen aus nur noch wenigen Teilen bestehenden Vibrationsresonators ergibt sich ein sehr hoher Wandlungswirkungsgrad, der es gestattet, je nach verwendetem Vibrationsresonator auf die bisher benötigte mecha­ nische Reihenschaltung mehrerer Antriebselemente zu verzichten oder zumindest diese in der Anzahl wesentlich zu reduzieren.

Obwohl es mit dem vorliegenden Vibrationsresonator nach der Erfindung ohne weiteres möglich ist, als Antriebs-/Detektions­ einrichtung lediglich ein einziges Piezoelement einzusetzen, kann bei Bedarf der Zweipol durch weitere Piezoelemente ergänzt werden. Im Sinne der Erfindung ist es lediglich notwendig, daß alle Piezoelemente mit ihren Elektroden elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet sind. Hierdurch können beispiels­ weise die Antriebskräfte im Vergleich zu einem einzigen Piezo­ element deutlich erhöht werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Vibrationsresonator an eine Steuer- und Auswerteeinheit, die über die erwähnte Zwei­ drahtleitung zum Antriebs-/Detektionszweipol sowohl die Schwin­ gungserregung als auch die Schwingungsdetektion an der Membran und damit an den Schwingstäben herbeiführt, angeschlossen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vor­ gesehen, daß das Piezoelement oder die Piezoelemente als ring­ förmige Piezoelemente mit ringförmigen Elektroden ausgebildet sind. Innerhalb der Halterung des Vibrationsfüllstandsensors kann so ein Zugbolzen angeordnet werden, der sich orthogonal zur Membran erstreckt und mit seinem unteren Ende zentrisch an der Membran mit dieser feststehend verbunden ist. Der Zugbolzen ragt durch das oder die ringförmigen Piezoelemente mit den ringförmi­ gen Elektroden und ist an seinem oberen Ende mittig an einer Druckplatte angekoppelt. Das oder die ringförmigen Piezoelemente werden zweckmäßigerweise zwischen einer beabstandet über der Membran feststehenden Bodenplatte und der Druckplatte angeord­ net. Sofern der Zugbolzen axial verschieblich und verschwenkbar angeordnet ist, läßt sich eine Entkopplung der Unterseite des Piezoelementes von der Membran erreichen, wodurch eine verbes­ serte Betriebsweise gewährleistet ist. Die Entkopplung der Un­ terseite des Piezoelementes von der Membran ist insbesondere antriebsseitig positiv, da die Membran durch die genannte Ent­ kopplung frei schwingen kann und nicht durch Auflagen oder Ver­ schraubungen bedämpft wird. Es wirkt lediglich der in der Reso­ nanzfrequenz der Schwinggabel über das Piezoelement oder die Piezoelemente angetriebene Zugbolzen auf die Membran.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Bodenplatte, auf der die Unterseite des Piezoelementes oder die Unterseite eines Stapels von Piezoelementen aufsitzt, einstückig an der Halte­ rung der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzuformen. Die Halterung wird hierbei zweckmäßigerweise als Einschraubstück mit Außenge­ winde gebildet. Durch die einstückige Anformung der Bodenplatte an das Einschraubstück läßt sich die erfindungsgemäße Vorrich­ tung in besonders einfacher Weise herstellen.

Wird der Zugbolzen an seinem der Membran abgewandten Ende mit einem Gewinde versehen, auf welchem ein sich an einer Druck­ platte abstützendes Schraubelement aufgeschraubt ist, kann in einfacher Weise eine vorgegebene Vorspannung an der Membran eingestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Vibrations­ resonators zielt darauf ab, ein einziges Zweipolpiezoelement sowohl als Erreger-Element als auch als Detektions-Element ein­ zusetzen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß das in bekannter Weise dem Piezoelement zugeführte und zwischen mindestens zwei Spannungswerten oszillierende Ausgangssignal des Rückkopplungs­ verstärkers, welches die Umladung des Piezoelementes bewirkt, erfindungsgemäß durch eine Ladestromregelschaltung den Umlade­ vorgang zeitlich begrenzt, so daß unmittelbar daran anschließend daßelbe Piezoelement für den Rest der Halbwelle zur Detektion herangezogen werden kann. Während des Umladevorganges wird das Schwingungsdetektionssignal ausgetastet. Das Piezoelement wird also im Takt des Erregersignals zwischen mindestens zwei de­ finierten Spannungswerten wechselweise umgeladen, wobei eine Ladestromregelschaltung den Umladevorgang auf endliche Zeitdau­ er, welche kürzer als eine Schwingungshalbperiode ist, begrenzt und das Schwingungsdetektionssignal anhand der während des rest­ lichen Zeitintervalls bis zum nächsten Umladevorgang piezoelek­ trisch erzeugten Ladungsquanten von diesen ableitet.

Durch die Verwendung lediglich eines Piezoelements werden vor­ teilhafterweise auch nur zwei Leitungen zum Anschluß des Sensors benötigt. Dadurch verringern sich die zuvor erwähnten Schutzmaß­ nahmen erheblich. Außerdem wird die Fehleranfälligkeit des Sy­ stems verringert.

Aufgrund des kompakten Aufbaus eines derartigen aus nur noch wenigen Teilen bestehenden erfindungsgemäßen Antriebssystems er­ gibt sich ein sehr hoher Wandlungswirkungsgrad, der es gestat­ tet, je nach verwendetem Vibrationsresonator auf die bisher be­ nötigte mechanische Reihenschaltung mehrerer Antriebselemente zu verzichten oder diese in der Anzahl wesentlich zu reduzieren. Es ergibt sich daher eine deutliche Einsparung an Kosten und Bauvo­ lumen.

Die benötigte Ladestromregelschaltung kann in einfacher Weise durch eine Schaltung zur Erzeugung eines virtuellen Massepoten­ tials, welche ausgangskreisseitig mit dem Piezoelement verbunden wird, realisiert werden.

Zur Trennung von Antriebs- und Detektionssignal kann zusätzlich eine Schaltung, die die im Ausgangskreis des Piezoelements ent­ stehenden Signalspitzen austastet, vorgesehen werden. Als be­ sonders vorteilhaft erweist sich hier die Verwendung eines Um­ schalters, der für den Zeitraum des Ladestromes das Detektions­ signal ausblendet und statt dessen mit Masse verbindet. Die Erregungs-Ladungsquanten können so wirksam von den zur Detektion herangezogenen Ladungsquanten getrennt werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch einfaches Parallelschal­ ten eines Widerstandes zum Piezoelement und einer zugehörigen Kompensationsschaltung. Tritt zum Beispiel eine Leitungsunter­ brechung oder eine Beschädigung des Piezoelements auf, so wird die Resonanzfrequenz des gesamten Schwingkreises auf einen au­ ßerhalb eines vorgegebenen Standardbereichs liegenden Wert ver­ schoben, der auf einfache Weise als Fehlersignal detektierbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Ausführungs­ beispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Vibra­ tions-Füllstand-Grenzschalters,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf mehrerer Signale der in Fig. 1 dargestellten Schaltung,

Fig. 3 eine Erweiterungsschaltung der in Fig. 1 dargestell­ ten erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 4 eine vereinfachte Schaltung der in Fig. 1 dargestell­ ten erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Vibrations-Füllstand-Grenz­ schalters nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 eine Längsschnittansicht durch einen ersten erfin­ dungsgemäßen Vibrationsresonator zur Füllstandauswer­ tung mit einem einzigen Piezoelement,

Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Halterung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vibra­ tionsresonators mit drei elektrisch parallel und me­ chanisch in Reihe geschalteten Piezoelementen,

Fig. 8 eine Längsschnittansicht durch einen dritten Vi­ brationsresonator nach der Erfindung, und

Fig. 9 eine Längsschnittansicht durch einen vierten Vi­ brationsresonator nach der Erfindung.

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist als Erreger- und Detektionselement ein einziges Piezoelement ge­ wählt. Dieses kann selbstverständlich durch einen äquivalent wirkenden Wandler ersetzt werden.

In Fig. 1 ist mit 7 ein Endverstärker dargestellt, dessen Ein­ gang mit dem Ausgang eines Komparators 8 verbunden ist. Der Komparator 8 wird vom Ausgangssignal eines Bandfilters 9 ge­ speist. Dieses Signal ist mit D bezeichnet und dessen zeitlicher Verlaufin Fig. 2 dargestellt. Der Eingang des Bandfilters 9 ist an den Ausgang eines Eingangsverstärkers 10 geschaltet.

Der Ausgang des Endverstärkers 7 ist einerseits mit einer ersten Anschlußleitung 12 eines Vibrationsresonators 11 sowie anderer­ seits mit dem ersten Eingang eines Exklusiv-Oder-Gatters 21 verschaltet. Des weiteren ist er mit einem an Masse 23 gelegten Tiefpaß verbunden, der aus der Reihenschaltung eines Widerstands 17 und eines Kondensators 18 besteht. Das Ausgangssignal des Endverstärkers 7 ist mit A bezeichnet und sein zeitlicher Ver­ lauf ist der Fig. 2 entnehmbar. Die zweite Anschlußleitung 14 des Vibrationsresonators 11 ist mit einer Ladestromregelschal­ tung 24 verbunden. Diese weist eingangsseitig einen ersten An­ schluß eines Widerstandes 15 und den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 16 auf, welcher mit dem Anschluß 14 des Vibrationsresonators verbunden ist. Der andere Anschluß des Widerstandes 15 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 16 verschaltet. Dessen nicht invertierender Eingang ist mit Masse 23 verbunden.

Das Signal, das am Knotenpunkt zwischen Ausgang des Operations­ verstärkers 16 und des Widerstands 15 abgreifbar ist, ist mit B bezeichnet. Der zeitliche Verlauf dieses Signales B ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Knotenpunkt ist zum einen über einen Wi­ derstand 19 mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung aus Wi­ derstand 17 und Kondensator 18 und zum anderen mit dem ersten Umschaltkontakt eines steuerbaren Umschalters 22 verbunden. Der andere Umschaltkontakt des Umschalters 22 ist an die Masse 23 geschaltet. Der Mittelkontakt des steuerbaren Umschalters 22 ist mit einer Rückkopplungsleitung 26 verbunden, die mit ihrem ande­ ren Ende an den Eingang des Eingangsverstärkers 10 geschaltet ist. Der Knotenpunkt der Reihenschaltung aus Widerstand 17 und Kondensator 18 ist weiterhin mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 20 verschaltet, dessen nicht invertierender Eingang mit Masse 23 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist mit dem zweiten Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters 21 verbunden. Das Ausgangssignal des Ex­ klusiv-Oder-Gatters 21 ist mit C bezeichnet und dessen zeit­ licher Verlauf ist wiederum der Fig. 2 entnehmbar. Dieses Aus­ gangssignal C wird dem Steueranschluß des steuerbaren Umschal­ ters 22 zugeführt. Die erwähnten Bauelemente 17 bis 21 sind Bestandteil einer mit dem Bezugszeichen 25 bezeichneten Steuer­ schaltung, welche den Umschalter 22 steuert.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das im Vibrationsresona­ tor 11 enthaltene Schwingungselement ein einzelnes Piezoelement 13, welches zwischen Eingang und Ausgang des Vibrationsresona­ tors 11 geschaltet ist und somit über eine Zweidrahtleitung 12 und 14 mit den übrigen Schaltungselementen verbindbar ist. Soll­ te dessen Schwingungsamplitude nicht ausreichend groß sein, so können diesem einen Piezoelement 13 weitere Piezoelemente elek­ trisch parallel sowie mechanisch in Reihe geschaltet werden.

Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels wird anhand der charak­ teristischen Signalverläufe, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Stromregelschaltung basiert auf einer La­ dungskompensationsschaltung bestehend aus dem Widerstand 15 und dem Operationsverstärker 16 und ist eingangsseitig mit dem Pie­ zoelement 13 verschaltet. Sie dient dazu, ein virtuelles Masse­ potential am Anschluß 14 zu erzeugen. Als Bezugspotential dient die Masse 23, welche mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 verbunden ist. Diese Masse 23 ist sym­ metrisch zur nicht dargestellten positiven und negativen Versor­ gungsspannung.

Die Anschlußleitung 12 des Piezoelementes 13 wird mit dem Aus­ gangssignal A des Endverstärkers 7 beaufschlagt. Dieses Aus­ gangssignal A stellt ein quasi binäres Signal dar, nämlich vor­ zugsweise ein Rechtecksignal, und wird im Rückkopplungszweig durch den Komparator 8 gebildet. Dieses Signal kann und wird in der Praxis eine endlich steile Steigung aufweisen. Die Darstel­ lung der Signalformen in Fig. 2 dient nur der prinzipiellen Funktionsweise der Schaltung.

Prinzipiell wird durch die erfindungsgemäße Anordnung das Pie­ zoelement 13 zu Beginn jeder Halbperiode an die Erregerspannung A mit steil steigender Flanke angelegt. Durch die Kurzzeit­ wirkung der Ladungskompensationsschaltung 24 wird der Piezoumla­ destrom jedoch in seiner Höhe begrenzt. Die Erregerspannung A bleibt dann bis zum Ende der Halbperiode bestehen. Dadurch än­ dert sich die Geometrie des Piezoelements 13. Diese veränderte Geometrie bleibt dann auch bis zum Ende der Halbperiode beste­ hen. Die mechanischen Teile des Vibrationsresonators 11 wirken dabei als Energiespeicher nach Art einer gespannten Feder, so daß die Antriebskraft permanent über nahezu die gesamte Halb­ periode hinweg auf den Vibrationsresonator einwirkt. Durch eine nachfolgende entsprechend entgegengesetzte Flanke des Erreger­ signals A wird der umgekehrte Vorgang eingeleitet. Auf diese Weise kann eine Oszillation des Piezoelements 13 und damit des Vibrationsresonators 11 erreicht werden.

Eine derartig wirkungsvolle Erregung kann durch eine einfache impulsförmige, nur kurzzeitig andauernde Antriebskrafteinleitung in das mechanische Vibrationselement 11 innerhalb jeder Halb­ periode nicht erreicht werden, weshalb bisher eine Sensoranord­ nung mit nur einem Piezoelement, das gleichzeitig als Erreger- Element und als Detektions-Element dient, nicht in Frage kam. Die erfindungsgemäße Anordnung löst jedoch dieses Problem.

Es folgt eine detaillierte Funktionsbeschreibung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung.

Wechselt das Signal A seine Ausgangspolarität aufgrund des Be­ ginns einer neuen Schwingungshalbperiode, so wird das Piezo­ element 13 um den Betrag des Signalhubes von A umgeladen. Auf­ grund des Widerstandes 15 sowie weiterer nicht dargestellter Innenwiderstände der Schaltung, welche beispielsweise aus Grün­ den des Explosionsschutzes erforderlich sein können, stellt sich zunächst ein e-funktionsförmiger Umladestromverlauf durch das Piezoelement 13 ein.

Die Ladungskompensationsschaltung 24 wird dabei übersteuert, so daß die Leitung 14 während des Umladevorganges kein virtuelles Erdpotential mehr führt. Nachdem sich das Piezoelement 13 um den Betrag des Signalhubes von A umgeladen hat, gelingt es der La­ dungskompensationsschaltung 24 wieder, das Potential der Leitung 14 zu stabilisieren, wodurch der Piezoumladestrom auf Null fällt. Das Piezoelement 13 wurde auf diese Weise innerhalb eines endlichen Zeitintervalls, unter Umgehung der theoretisch un­ endlich abklingenden e-Ladefunktion, um den Erregerspannungshub des Signals A umgeladen.

Während des verbleibenden Restes der Schwingungshalbperiode kompensiert die Ladungskompensationsschaltung 24 alle aufgrund der mechanischen Schwingbewegung des Vibrationsresonators 11 piezoelektrisch erzeugten Ladungsquanten, so daß die Spannung über dem Piezoelement 13 konstant bleibt.

Die zu Kompensationszwecken fließende Ladungsmenge erzeugt dabei über den Stromfühlwiderstand 15 einen entsprechenden Spannungs­ abfall, welcher am Knotenpunkt zwischen Widerstand 15 und Aus­ gang des Operationsverstärkers 16 als Signal B abgegriffen wer­ den kann.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, setzt sich das Spannungssignal B aus zwei Komponenten zusammen. Es handelt dabei einerseits um einen relativ hohen, impulsartigen Anteil, welcher während der Pie­ zoumladephase auftritt, also dann wenn das Ausgangssignal A des Endverstärkers 7 seine Ausgangspolarität wechselt. Dieser im­ pulsartige Anteil repräsentiert die für den Antrieb erforder­ lichen Wirk- und Blindströme des Piezoelements 13. Andererseits weist das Signal B einen sinusförmigen Anteil auf, welcher wäh­ rend der restlichen Zeitdauer erscheint und das Schwingungsde­ tektionssignal repräsentiert.

Zur Ausblendung der unerwünschten Piezoumladeströme wird vor­ zugsweise eine Austastschaltung vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist diese Austastschaltung durch eine Vorrichtung zur zeitweisen vollständigen Unterdrüc­ kung des Signals B realisiert. Hierzu dient der steuerbare Um­ schalter 22, der beispielsweise als Halbleiterschalter ausge­ bildet sein kann. Dieser Umschalter 22 wird durch die aus den Bauteilen 17 bis 21 bestehende Steuerschaltung 25 getaktet. Hierzu dient das von der Steuerschaltung 25 erzeugte Steuer­ signal C, welches den steuerbaren Umschalter 22 veranlaßt, min­ destens während der vollständigen Dauer des Piezoumladestrom­ impulses das Signal B nicht in den Rückkopplungszweig 26 durch­ zuschalten, sondern statt dessen während dieses Zeitraumes die Rückkopplungsleitung 26 mit dem Massepotential 23 zu verbinden.

Die Erzeugung des Signales C durch die Steuerschaltung 25 er­ folgt durch die Verknüpfung zweier zueinander phasenverschobener Signale mittels des Exklusiv-Oder-Gatters 21. Auf dessen einen Eingang gelangt das Ausgangssignal des Endverstärkers A unverzö­ gert. Dem anderen Eingang wird dieses Signal A über den durch den Widerstand 17 und den Kondensator 18 gebildeten Tiefpaß und den nachgeschalteten Komparator 20 zugeführt. Der ebenfalls auf den Komparatoreingang wirkende Widerstand 19 sorgt zusätzlich dafür, daß der Kondensator 18 sich erst dann über die Kompara­ torschwelle hinaus umladen kann, wenn im Signal B der Piezoumla­ deimpuls abgeklungen ist. Der Widerstand 17 ist zu diesem Zweck etwa doppelt so groß wie Widerstand 19 dimensioniert.

Die erzeugte Austastlücke im Detektionssignal ist vorzugsweise länger als der Umladeimpuls selbst, um auch den Einschwingvor­ gang der Ladungskompensationsschaltung 24 auf das virtuelle Massepotential vollständig mit zu unterdrücken.

Das Ausgangssignal des Halbleiterumschalters 22 wird dem aus den Stufen 7 bis 10 bestehenden Oszillatorrückkoppelkreis zugeführt. Es wird zunächst vom Eingangsverstärker 10 in der Amplitude angehoben, anschließend filtert das Bandfilter 9 die Grundwel­ lenschwingung des Vibrationsresonators 11 heraus, welche das Zwischensignal D bildet.

Der als Nulldurchgangsdetektor wirkende Komparator 8 bestimmt aus dem Signal D das jeweilige Ende der Schwingungshalbperiode und veranlaßt daraufhin den Endverstärker 7, die Ausgangspola­ rität der von ihm erzeugten Erregerspannung A zu wechseln. Das binäre Schaltverhalten des Komparators 8 stellt sicher, daß die Erregerspanung A während der vollständigen Dauer jeder Schwin­ gungshalbperiode konstant bleibt. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da ansonsten in der Detektionssignalphase aufgrund der differenzierenden Wirkung der Kapazität des Piezoelementes 13 unerwünschte Umladeströme auftreten würden.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es auf diese Weise, mit einem einzelnen Piezoelement einen Vibrationsresonator permanent anzutreiben und bis auf Ausnahme der verhältnismäßig kurzen Austastlücke dessen Schwingung gleichzeitig zu detektieren.

Als zusätzlich vorteilhaft erweist sich die in Fig. 3 darge­ stellte Erweiterungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, wobei gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen. Zusätzlich sind folgende Elemente vorgesehen parallel zum Vibrationsresonator 11 ist ein Widerstand 27 geschaltet. Des weiteren ist ein Widerstand 28 vorgesehen, der einerseits mit der Anschlußleitung 14 verbunden wird und der andererseits mit dem über einen Inverter 29 geführten Erregersignal A gespeist wird.

Der antiphasig zum Signal A gespeiste Widerstand 28 kompensiert den parallel geschalteten Widerstand 27. Liegt kein Fehler vor, so heben sich beide Widerstände 27, 28 in ihrer Wirkung auf, wird eine der Piezoanschlußleitungen 12 oder 14 hingegen unter­ brochen, so springt die Oszillationsschwingung des Rück­ kopplungskreises auf einen Frequenzwert, der durch die Verstär­ keranordnung 7 bis 10 bestimmt wird. Dieser Wert wird im Normal­ betrieb des Vibrationsresonators 11 nie erreicht und kann somit einfach als fehlerhaft detektiert werden.

In Fig. 4 ist eine vereinfachte Schaltungsanordnung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung gezeigt. Anstelle der dort vor­ gesehenen Ladungskompensationsschaltung 24 wird ein einfacher Widerstand 30 vorgesehen, der zwischen die zweite Anschlußlei­ tung 14 und Massepotential geschaltet ist. Die zweite Anschluß­ leitung 14 des Piezoelementes 13 ist direkt mit einer ersten Eingangsklemme des Umschalters 22 in Verbindung. Die andere Eingangsklemme des Umschalters 22 ist, wie in Fig. 1, auf Mas­ sepotential geschaltet. Gesteuert wird der Umschalter 22 von einem Steuersignal C, das in ähnlicher Weise, wie in Fig. 1 vorgestellt, gewonnen wird. Die an dem Widerstand 30 abfallende Spannung dient als Detektionsspannung zum Erfassen der Schwingungen am Piezoelement 13. Diese Detektionsspannung wird über den Umschalter 22 dem Eingang des Verstärkers 10 zugeführt. Der Umschalter 22 wird vom Steuersignal C umgeschaltet.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf piezoelektrische Wandler beschränkt, sondern kann auch unter Beachtung der ent­ sprechend dualen physikalischen Eigenschaften auf Vibrationsre­ sonatoren mit induktiver Erregung und Detektion übertragen wer­ den.

In Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines ersten beispielhaften Vibrationsresonators 11 dargestellt, welcher in die Schaltungs­ anordnung von Fig. 1 eingesetzt werden kann. Der Vibrations­ resonator 11 weist zwei im Abstand parallel voneinander angeord­ nete Schwingstäbe 102,103 auf, die im wesentlichen von gleicher Form und gegeneinander um ihre Längsachse 180° gedreht angeord­ net sind. Die beiden Schwingstäbe 102, 103 sind an ihrem oberen Ende mit Kröpfungen 130, 131 versehen, welche auf ihrer dem Behälterinneren abgewandten Seite fest stehend mit einer Membran 104 in Verbindung stehen. Die Membran 104 ist beispielsweise kreisförmig ausgebildet und an ihrem Rand an einer Halterung 106 der Vorrichtung eingespannt. Die Halterung 106 ist beispiels­ weise als Einschraubstück 107 ausgebildet.

Zweckmäßigerweise sind die Membran 104 und die Schwingstäbe 102, 103 einstückig aus Feinguß hergestellt und die Membran 104 aus­ schließlich mit ihrem äußeren Rand an die Unterseite der noch zu erläuternden Bodenplatte 118 angeschweißt. Eine solche Schweiß­ naht 124 bietet der Membranperipherie wegen der außerordentlich geringen Amplitude der zu übertragenden und von dem im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel einzigen Piezoelement 101 der Piezo­ einrichtung bereitgestellten Schwingungsenergie eine massive kraftschlüssige Abstützung.

Das Einschraubstück 107 ist, wie Fig. 1 zeigt, topfförmig aus­ gebildet und verfügt über ein zylindrisches Außengewinde 108, mit welchem die Vorrichtung 101 in einer Wandöffnung des Behäl­ ters, dessen Füllstand festgestellt werden soll, befestigt wer­ den kann. Hierzu ist das Einschraubstück 107 an seinem den Schwingstäben 102, 103 gegenüberliegenden Ende z. B. mit einem Sechskant versehen, um mittels eines Schraubenschlüssels in die entsprechende Öffnung der Behälterwandung eingedreht werden zu können.

Das topfförmige Einschraubstück 106 ist mit einem Hohlraum 122 ausgebildet, der an seiner der Membran 104 zugewandten Seite mit der erwähnten Bodenplatte 118 abschließt. Die Bodenplatte 118, die im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kreisförmig gestaltet ist, ist vorzugsweise einstückig an das Einschraubstück 107 und damit die Halterung 106 angeformt und verfügt über eine zentrale Bohrung 120. Die Unterseite der Bodenplatte 118 verläuft par­ allel zur Membran 104 und liegt zu dieser in einem vorgegebenen Abstand, so daß sich die Membran 104 unterhalb der Bodenplatte 118 verformen kann, ohne die Bodenplatte 118 zu berühren. Die Membran 104 ist lediglich an ihrem äußeren Rand mit der Boden­ platte 118 verschweißt. Die Membran 104 kann also im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel frei schwingen und wird durch keine Auflagen oder Verschraubungen bedämpft.

Auf der Oberseite der Bodenplatte 118 und damit innerhalb des Hohlraumes 122 befindet sich im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 eine als Zweipol ausgebildete Piezoeinrichtung, die als wesent­ lichstes Element ein einziges Piezoelement 101, das vorliegend ringförmig gestaltet ist, aufweist. Dieses ringförmige Piezo­ element 101 weist an seiner Oberseite eine ringförmige Elektrode 109 und an seiner Unterseite eine ringförmige Elektrode 110 auf. Zwischen der Elektrode 110 und der Oberseite der Bodenplatte 118 ist ein Isolierring 116 angeordnet. Ein weiterer Isolierring 115 befindet sich auf der dem Piezoelement 101 abgewandten Seite der Elektrode 109. Auf dem Isolierring 115 sitzt eine Druckplatte, hier eine Druckscheibe 114 auf, die in etwa den gleichen Außen­ radius wie das ringförmige Piezoelement 101, die zugehörenden ringförmigen Elektroden 109, 110 und die Isolierringe 115, 116 aufweist.

Das Piezoelement 101, die beiden Elektroden 109, 110, die Iso­ lierringe 115, 116 und die Druckscheibe 114 sind gleichachsig zueinander ausgerichtet und verfügen mittig über eine Öffnung, in der ein Zugbolzen 105 sitzt. Dieser Zugbolzen 105 ist mit seiner Unterseite fest stehend an der Membran 104 und zentrisch zu dieser festgelegt, beispielsweise durch Schweißen.

Der Zugbolzen 105 ragt durch die bereits erwähnte Bohrung 120 der Bodenplatte 118 und erstreckt sich nach oben durch die Öff­ nungen des Isolierringes 116, der Elektrode 110, des Piezoele­ mentes 101, der Elektrode 109, des Isolierringes 115 und der Druckscheibe 114. An seinem oberen Ende ist der Zugbolzen 105 mit einem Gewinde versehen, welches aus der Bohrung 117 der Druckscheibe 114 herausragt. Auf dieses Gewinde ist ein sich an der Druckscheibe 114 abstützendes Schraubelement 121, z. B. eine Mutter oder dergleichen, aufschraubbar, um eine vorgegebene Spannung der Membran 104 und/oder des Piezoelementes 101 ein­ zustellen. Durch dieses Schraubelement 121 wird somit sowohl die Vorspannung des Piezoelementes 101 aufgebracht als auch zugleich eine Antriebsbefestigung erreicht.

Der Zugbolzen 105 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich des Piezoelementes 101 und der Elektroden 109, 110 sowie der Isolierringe 115, 116 von einer Isolierhülse 119 umgeben. Zusätzlich ist der Zugbolzen 108 innerhalb dieser Isolierhülse 119 und den erwähnten Bohrungen 117, 120 axial verschieblich und verschwenkbar angeordnet.

Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist die als Zweipol ausgebildete Piezoeinrichtung, die im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 aus einem einzigen Piezoelement 101 besteht. Die beiden Elektroden 109, 110 dieses Piezoelementes 101 sind jeweils über eine Leitungsader 112, 113, die zu einer Zuleitung 111 gehören, mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbindbar. Von dieser Steuer- und Auswerteelektronik wird das Piezoelement 101 abwech­ selnd, vorzugsweise innerhalb einer Halb-Periode der das Piezo­ element 101 antreibenden Wechselspannung sowohl zur Schwingungserregung als aus zur Schwingungsdetektion herangezo­ gen. Eine hierfür z. B. geeignete Schaltungsanordnung wurde im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 vorgestellt.

Im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 7 ist die Halterung 106 der Vorrichtung mit einer im Hohlraum 122 befindlichen anderen Piezoeinrichtung dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel sind drei ringförmige Piezoelemente 101a, 101b und 101c übereinander und damit mechanisch in Reihe angeordnet. Erfin­ dungsgemäß sind diese drei Piezoelemente 101a, 101b und 101c elektrisch parallel geschaltet zur Bildung eines Zweipoles, welcher über die beiden Leitungsadern 112, 113 einer Zuleitung 111 mit der Steuer- und Auswerteeinheit in Verbindung steht. Der zwischen der Druckscheibe 114 und der Bodenplatte 118 angeordne­ te Ringstapel besteht, beginnend von der Bodenplatte 118, aus folgenden Elementen:

Isolierring 116
Elektrode 110a
Piezoelement 101c
Elektrode 109a
Piezoelement 101b
Elektrode 110b
Piezoelement 101a
Elektrode 109b
Isolierring 115.

Die Piezoelemente 101a, 101b und 101c sind elektrisch parallel geschaltet. Hierfür sind die beiden Elektroden 109a, 109b mit der Leitungsader 112 in Verbindung. Die beiden Elektroden 110a und 110b stehen dagegen mit der Leitungsader 113 in Kontakt.

Wenngleich bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere Piezoelemente 101a, 101b und 101c vorgesehen sind, so sind diese Piezoelemente 101a, 101b und 101c elektrisch so geschaltet, daß von außen her gesehen diese einen Zweipol bilden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Vorrichtungen be­ schränkt, bei denen die Bodenplatte 118 notwendigerweise von der Membran entkoppelt sein muß. Vielmehr ist die vorliegende Erfin­ dung auch bei solchen Vorrichtungen zur Füllstandmessung ein­ setzbar, bei denen die Krafteinleitung der Resonatoreinrichtung in eine der Membran angeformte Schulter, wie diese z. B. in DE 41 18 793 A1 beschrieben ist, oder bei solchen Vorrichtungen an­ wendbar, bei denen die Krafteinleitung der Resonatoreinrichtung über zwei Druckzapfen in die Membran erfolgt. Letzteres ist beispielsweise in dem Dokument DE 39 31 453 C1 beschrieben.

In Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel eines Vibrationsresonators 11 nach der Erfindung dargestellt. Anstelle des im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 beschriebenen Zugbolzenantriebs, wird jetzt die Membran 104 mit Druck beaufschlagt. Hierfür ist das Piezoelement 101 zwischen einer mit einer Einstell-Schraube 142 versehenen Druckplatte 141 und dem Zentrum der Membran 104 ein­ gespannt. Die Druckplatte 141 stützt sich dabei an einem Se­ gering 140, welcher in einer Ringnut des Einschraubstückes 106 sitzt, ab. Das Piezoelement 101 selbst ist in einer rohrförmigen Halterung 143 angeordnet, welche sich an der Innenwandung des Einschraubstückes 106 abstützt. Der Antrieb der Membran 104 ge­ schieht bei dieser Anordnung durch seitens des Piezoelementes 101 versachten Wechseldrucks, so daß die Gabelzinken 102, 103 in der einen Schwingungshalbwelle voneinander weggespreizt werden, um in der darauffolgenden wieder zurückzufedern.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 9 erfolgt dagegen die Kraftein­ leitung auf die Membran 104 unmittelbar in dem Membranbereich der Gabelzinkenbefestigung. Hierfür ist das wieder unterhalb der aus Fig. 8 bekannten Druckplatte 141 angeordnete Piezoelement 101 in einer rohrförmigen Halterung 145 angeordnet. Die Halte­ rung 145 und das Piezoelement 101 sitzen zwischen zwei Platten 146, 147, wobei die untere Platte 147 eine ringförmige Schulter 147a, welche über der Gabelzinkenbefestigung sitzt, aufweist. Anstelle einer ringförmigen Schulter 147a können auch zwei über der Gabelbefestigung angeordnete Zapfen an der Unterseite der Platte 147 angeformt sein.

Auch bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist es im Sinne der Erfindung von wesentlicher Bedeutung, daß der Vibrations­ resonator 11 als Zweipol ausgebildet ist, also entweder ein einziges Piezoelement oder einen Stapel von elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschalteten Piezos zur Schwingungs­ detektion und -erregung aufweist.

Bezugszeichenliste

1 Vibrationsresonator
2 Detektions-Piezoelement
3 Eingangsverstärker
4 Bandfilter
5 Endverstärker
6 Erreger-Piezoelement
7 Endverstärker
8 Komparator
9 Bandfilter
10 Eingangsverstärker
11 Vibrationsresonator
12 Anschlußleitung
13 Piezoelement
14 Anschlußleitung
15 Widerstand
16 OP-Verstärker
17 Widerstand
18 Kondensator
19 Widerstand
20 OP-Verstärker
21 Exor-Gatter
22 Umschalter
23 Masse
24 Ladestromregelschaltung
25 Steuerschaltung
26 Rückkopplungsleitung
27 Widerstand
28 Widerstand
29 Inverter
30 Widerstand
101 Piezoelement
101a Piezoelement
101b Piezoelement
101c Piezoelement
102 Schwingstab
103 Schwingstab
104 Membran
105 Zugbolzen
106 Halterung
107 Einschraubstück
108 Außengewinde
109 Elektrode
109a Elektrode
109b Elektrode
110 Elektrode
110a Elektrode
110b Elektrode
111 Zuleitung
112 Leitungsader
113 Leitungsader
114 Druckscheibe
115 Isolierung
116 Isolierung
117 Bohrung
118 Bodenplatte
119 Isolierhülse
120 Bohrung
121 Schraubelement
122 Hohlraum
124 Schweißnaht
130 Kröpfung
131 Kröpfung
140 Segering
141 Druckplatte
142 Inbusschraube
143, 145 Halterung
146, 147 Platten
147a Schulter
A Signal, Erregerspannung
B Signal
c Steuersignal
D Signal

Claims (28)

1. Vibrationsresonator zur Füllstandauswertung mit einem an einer Halterung (106) angeordneten mechanischen Schwin­ gungssystem, das mindestens zwei Schwingstäbe (102, 103) aufweist, die im Abstand zueinander an einer am Rand fest­ gelegten Membran (104) befestigt sind, mit einer auf der den Schwingstäben (102, 103) abgewandten Seite der Membran (104) angeordnete Einrichtung zur Erregung der Schwing­ stäbe (102, 103) und zur Detektion der Schwingungen der Schwingstäbe (102, 103), sowie mit einer aus der Halterung (106) führenden Zuleitung (111), welche die Einrichtung mit einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit ver­ bindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein elektrischer Zweipol ist, daß der Zweipol mindestens ein Piezoelement (101) mit zwei Elektroden (109, 110) auf­ weist, und daß die Zuleitung (111) zu dem Zweipol eine Zweidrahtleitung (111) mit zwei Leitungsadern (112, 113) ist.

2. Vibrationsresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zweipol mindestens zwei Piezoelemente (101a, 101b) mit jeweils Elektroden (109a, 109b, 110a, 110b) auf­ weist, und daß diese Piezoelemente (101a, 101b) mechanisch in Reihe angeordnet und mit ihren Elektroden (109a, 109b, 110a, 110b) elektrisch parallel geschaltet sind.

3. Vibrationsresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (101) oder die Piezo­ elemente (101a, 101b) als ringförmige Piezoelemente mit ringförmigen Elektroden (109a, 109b, 110a, 110b) ausge­ bildet sind.

4. Vibrationsresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß innerhalb der Halterung (106) ein Zugbolzen (105) angeordnet ist, welcher sich orthogonal zur Membran (104) erstreckt und mit seinem unteren Ende zentrisch an der Membran (104) mit dieser feststehend verbunden ist, daß der Zugbolzen (105) durch das oder die ringförmige(n) Pie­ zoelement(e) (101; 101a, 101b, 101c) mit den ringförmigen Elektroden (109, 110; 109a, 109b, 110a, 110b) ragt und mit seinem oberen Ende mittig an einer Druckplatte (114) ange­ koppelt ist.

5. Vibrationsresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das ringförmige Piezoelement (101) oder die me­ chanisch in Reihe geschalteten Piezoelemente (101a, 101b, 101c) zwischen einer beabstandet über der Membran (104) feststehenden Bodenplatte (118) und der Druckplatte (114) angeordnet sind.

6. Vibrationsresonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (105) axial verschieb­ lich und verschwenkbar angeordnet ist, daß die untere Ringfläche des ringförmigen Piezoelementes (101) von der Membran (104) entkoppelt ist und auf der Bodenplatte (118) aufsitzt, welche eine zentrale Bohrung (120) aufweist, durch die sich der Zugbolzen (105) erstreckt und welche mit der Halterung (106) verbunden ist.

7. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Oberseite und an der Un­ terseite des Piezoelementes (101) oder der mechanisch in Reihe geschalteten Piezoelemente (101a, 101b) ein Isolier­ ring (115, 116) angeordnet ist.

8. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halterung (106) ein Ein­ schraubstück (107) mit Außengewinde (108) aufweist.

9. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (114) eine das mindestens eine ringförmige Piezoelement (101) überspan­ nende Scheibe mit zentraler Bohrung (117), durch welche sich der Zugbolzen (105) erstreckt, ist.

10. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (105) an seinem der Membran (104) abgewandten und sich durch die Druck­ scheibe (114) erstreckenden Ende mit einem Gewinde verse­ hen ist, auf welchem ein sich an der Druckscheibe (114) abstützendes Schraubelement (121) aufschraubbar ist.

11. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die als Zweipol ausgebildete Einrichtung mit mindestens einem Piezoelement (101; 101a, 101b, 101c) über die Zweidrahtleitung (111) zur Steuer- und Auswerteeinheit sowohl zur Schwingungserregung als auch Schwingungsdetektion betreibbar ist.

12. Verfahren zum Betreiben eines Vibrationsresonators mit einer Piezoeinrichtung innerhalb eines selbsterregbaren Wandlersystems, bei welchem in Anhängigkeit einer Schwin­ gungsdetektion ein Ausgangswechselsignal der Piezoeinrich­ tung verstärkt der Piezoeinrichtung als Eingangswechsel­ signal zur Schwingungserzeugung rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoeinrichtung (11) ein einzel­ nes Piezoelement (13) sowohl zur Schwingungserzeugung als auch Schwingungsdetektion aufweist, daß das Ausgangswech­ selsignal in ein zwischen mindestens zwei definierten Spannungswerten oszillierendes Rechtecksignal rechteckge­ formt wird, daß das Piezoelement (13) zur Schwingungserre­ gung während der Flankenwechsel des Rechtecksignales (A) wechselweise um den Betrag der Differenz zwischen den Ma­ ximal- und Minimalspannungswerten umgeladen wird, und daß ein Schwingungsdetektionssignal anhand der während der restlichen Zeitdauer der Schwingungsschaltperiode erzeug­ ten Ladungsquanten am Piezoelement (13) abgegriffen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechtecksignal (A) zwei gleiche Spannungswerte unter­ schiedlicher Polarität aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß das Umladen für eine endliche Zeitdauer, die kür­ zer als eine Schwingungshalbperiode des Rechtecksignales (A) ist, durchgeführt wird, und daß das Eingangswechsel­ signal während dieser Zeitdauern ausgetastet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Piezoelemente (13) elektrisch parallel und mechanisch in Reihe eingesetzt werden.

16. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter mit einem Vibrations­ resonator, welcher in einen Rückkopplungszweig eines selbsterregbaren Wandlersystems mit Verstärkeranordnung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vi­ brationsresonator (11) wenigstens ein Piezoelement (13) sowohl zur Schwingungserregung als auch Schwingungsdetek­ tion aufweist mit zwei Anschlußleitungen (12, 14), daß die Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ausgangsseitig ein zwi­ schen zwei definierten Spannungswerten oszillierendes Rechtecksignal (A) als Ausgangssignal bereitstellt, daß die Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ausgangsseitig mit der ersten Anschlußleitung (12) des Piezoelementes (13) verbunden ist, daß die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) über eine Umschalteinrichtung (22) mit dem Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) verbun­ den ist, und daß eine Steuerschaltung (25) vorgesehen ist, durch welche während der Flankenwechsel des Rechtecksigna­ les (A) die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) vom Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) über die Umschalteinrichtung (22) abkoppelbar ist.

17. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß während der Flankenwechsel des Rechtecksignales (A) der Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) über die Umschalteinrichtung (22) auf Be­ zugspotential schaltbar ist.

18. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Piezoelement (13) vorgesehen ist.

19. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Piezoelemente vorgesehen sind, daß diese mehreren Piezoelemente (101a, b, c) elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschal­ tet sind.

20. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü­ che 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Piezoelementes (13) ein induktiver Wandler eingesetzt wird.

21. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü­ che 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker­ anordnung (7, 8, 9, 10) einen Komparator zur Bildung des Rechtecksignales (A) enthält.

22. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü­ che 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladungs­ kompensationsschaltung (24) vorgesehen ist zur Erzeugung eines virtuellen Bezugspotentiales, welches an die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes angelegt ist.

23. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 22, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ladungskompensationsschal­ tung einen Widerstand (15) aufweist, der zwischen die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) und den Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ge­ schaltet ist, und einen Operationsverstärker (16) auf­ weist, dessen nicht invertierender Eingang mit Masse und dessen invertierender Eingang mit dem Knotenpunkt der Rei­ henschaltung aus Piezoelement (13) und Widerstand (15) verbunden ist.

24. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü­ che 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer­ schaltung (25) vorgesehen ist, die ein Umschaltsignal für den Umschalter (22) bereitstellt.

25. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (25) den Umschalter (22) so steuert, daß wahlweise das Ausgangs­ signal des Piezoelementes (13) oder ein Massepotential (23) mit dem Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ver­ bunden wird.

26. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü­ che 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Piezoelement (13) ein Widerstand (27) geschaltet ist und daß eine Kompensationsschaltung (28, 29) vorgesehen ist, welche den parallel geschalteten Widerstand (27) kompen­ siert.

27. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 26, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung einen weiteren Widerstand (28) aufweist, der zum einen mit der zweiten Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) ge­ koppelt ist und zum anderen von einem zum Rechtecksignal (A) der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) gegenphasigen Signal gespeist wird.

28. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Ladungskom­ pensationsschaltung (24) ein Widerstand (30) vorgesehen ist, welcher zwischen Massepotential und die zweite An­ schlußleitung (14) des Piezoelementes (13) geschaltet ist, und daß die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) direkt an eine Klemme des Umschalters (22) geschaltet ist.