DE19814669A1

DE19814669A1 - Fill level detection arrangement

Info

Publication number: DE19814669A1
Application number: DE1998114669
Authority: DE
Inventors: Andreas Haug; Peter Schropp
Original assignee: UWT APPARATE GmbH
Current assignee: UWT APPARATE GmbH
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-07

Abstract

The arrangement includes at least two oscillating rods (4, 5) projecting into a reservoir, which are fastened in a distance of each other to a side of a membrane (3). A stack of piezoelectric elements (8) is arranged in a space enclosed by a casing (1) which is arranged at a side of the membrane averted from the oscillating rods. The stack is fixed between the membrane and a yoke part (9) which is supported directly on the casing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in ei nem Behälter.The invention relates to a device for detection and / or monitoring a predetermined fill level in egg container.

Aus der DE 33 36 991 geht eine solche Einrichtung hervor. Im wesentlichen besteht diese aus zwei Schwingstäben, die parallel zueinander verlaufen und mit ihren einen Enden einstückig im Abstand nebeneinander fest mit einer Membran verbunden sind. An der den Schwingstäben abgewandten Seite weist die Membran ein Einschraubstück in der Form eines Ge häuses auf, mit dem die gesamte Einrichtung in einer Öff nung einer Wand eines Behälters, dessen Füllstand gemessen bzw. überwacht werden soll, verschraubt wird. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse an seinem Außenumfang ein Gewinde auf. Im Innenraum des Gehäuses befindet sich ein Piezosta pel der sich mit einer Seite an der Membran abstützt. Um den Piezostapel fest gegen die Membran zu pressen, ist über sein anderes Ende ein Jochteil geführt, das sich mit der Hilfe von wenigstens zwei Stützteilen, die beidseitig des Piezostapels angeordnet sind, an der Membran abstützt. Die Stützteile sind dabei mit ihren einen Seiten starr mit der Membran und mit ihren anderen Seiten starr mit dem Jochteil verbunden. Im Jochteil befindet sich eine Stellschraube, mit deren Hilfe der Piezostapel durch Verschrauben der Stellschraube fest gegen die Membran drückbar ist.Such a device emerges from DE 33 36 991. Essentially, this consists of two vibrating bars that run parallel to each other and with one end one piece at a distance next to each other firmly with a membrane are connected. On the side facing away from the vibrating rods the membrane has a screw in the shape of a Ge house with which the entire facility in one public a wall of a container whose level is measured or should be monitored, is screwed. To this For this purpose, the housing has a thread on its outer circumference on. There is a piezosta in the interior of the housing pel with one side supported on the membrane. Around pressing the piezo stack firmly against the membrane is over its other end led a yoke part, which coincides with the Help from at least two support parts, the two sides of the Piezo stacks are arranged, supported on the membrane. The Support parts are rigid with their one side with the Membrane and with its other sides rigid with the yoke part connected. There is an adjusting screw in the yoke part, with the help of the piezo stack by screwing the Set screw can be pressed firmly against the membrane.

Diese bekannte Einrichtung arbeitet in der folgenden Weise Von einem Teil des Piezostapels, der über Elektroden erregt wird (Erregungswandler) wird eine über die Elektroden ange legte elektrische Wechselspannung in mechanische Schwingun gen der Schwingstäbe umgewandelt. Ein weiterer Teil des Piezostapels bildet zusammen mit weiteren Elektroden einen Empfangswandler, der die Aufgabe hat, die mechanischen Schwingungen der Schwingstäbe in ein elektrisches Ausgangs signal umzuwandeln, das je nach Bedämpfung der Schwingstäbe verschiedene Frequenzen besitzt. This known device works in the following way From a part of the piezo stack that is excited via electrodes is (excitation converter) is one over the electrodes put electrical alternating voltage in mechanical vibration converted to the vibrating rods. Another part of the Piezo stack forms one together with other electrodes Receive converter, which has the task of mechanical Vibrations of the vibrating rods in an electrical output convert signal depending on the damping of the vibrating rods has different frequencies.

Aus der DE 39 31 453 C1 ist eine weitere Einrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füll standes in einem Behälter bekannt, bei der an der den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran mittig eine Spannschraube verschweißt ist. Diese Spannschraube ist durch eine Bohrung des Piezostapels geführt. Zwischen einem Ende des Piezostapels und der Membran befindet sich ein Me tallring mit angeformten Druckzapfen. Zwischen dem anderen Ende des Piezostapels ist ein weiterer Metallring angeord net, der auf die Spannschraube aufgesetzt ist. Durch Ver schrauben einer auf das freie Ende der Spannschraube aufge schraubten Mutter werden der weitere Metallring, der Pie zostapel und der Metallring mit den Druckzapfen fest gegen die Membran gepreßt.From DE 39 31 453 C1 another device for Detection and / or monitoring of a predetermined fill was known in a container at which the Side of the diaphragm facing away from the vibrating rods in the middle Clamping screw is welded. This tension screw is passed through a hole in the piezo stack. Between one There is a Me at the end of the piezo stack and the membrane tall ring with molded pressure pins. Between the other Another metal ring is arranged at the end of the piezo stack net, which is placed on the clamping screw. By ver screw one onto the free end of the clamping screw the further metal ring, the pie, becomes a screwed nut zostapel and the metal ring with the pressure pin firmly against pressed the membrane.

Eine ähnliche Einrichtung geht aus der DE 44 29 236 A1 her vor, bei der ebenfalls an der Membran eine Spannschraube verschweißt ist, durch die zwei getrennte Piezostapel fest gespannt werden, über denen ein Jochteil angeordnet ist.A similar device can be found in DE 44 29 236 A1 in front of which there is also a clamping screw on the membrane is welded by the two separate piezo stacks be tensioned, over which a yoke part is arranged.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung der eingangs genannten Art, bei der ein Pie zostapel in der Längsrichtung der Einrichtung gegen die Membran gespannt wird, dadurch zu verbessern, daß ihr Aufbau relativ einfach ist und daß sie vergleichsweise präzise und zuverlässig funktioniert, wobei im Hinblick auf die Unter bringung eines relativ großen Piezostapels möglichst wenig Beschränkungen vorgegeben sind. The object of the present invention is a Setup of the type mentioned, in which a pie zostapel in the longitudinal direction of the device against the Membrane is stretched to improve its structure is relatively simple and that it is comparatively precise and works reliably, with regard to the sub bring as little as possible a relatively large piezo stack Restrictions are given.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.This task is accomplished by a facility with the characteristics of claim 1 solved.

Dar wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß der zwischen einem Jochteil und der Mem bran festgespannte Piezostapel ideal an die Membran gekop pelt ist, weshalb eine optimale Erregung der Schwingstäbe vom Erregungswandler sowie eine optimale Signalübertragung von den Schwingstäben zum Empfangswandler möglich sind. Dies ist darauf zurückzuführen, daß dafür Sorge getragen ist, daß die Membran im Gegensatz zum geschilderten Stand der Technik so wenig wie möglich verändert ist, d. h. im we sentlichen in der Form einer Scheibe belassen ist, an deren einer Seite die Schwingstäbe und an deren anderen Seite au ßen das Gehäuse befestigt sind. Anders ausgedrückt ist an der Membran im Gegensatz zum Stand der Technik keine Ein spannschraube verschweißt, was den Vorteil erbringt, daß keine mechanische Spannungen in der Membran, die auf das Schweißen zurückzuführen sind, zu verzeichnen sind.Dar essential advantage of the device according to the invention is that between a yoke part and the mem bran clamped piezo stack ideally coupled to the membrane pelt is, which is why an optimal excitation of the vibrating rods from the excitation converter as well as optimal signal transmission from the vibrating rods to the receiving transducer are possible. This is due to the fact that care has been taken is that the membrane, in contrast to the stand described the technology is changed as little as possible, d. H. in the we is left in the form of a disc, on the other on one side the vibrating rods and on the other side au ß the housing are attached. In other words, is on the membrane, in contrast to the prior art, no one tension screw welded, which has the advantage that no mechanical stresses in the membrane, which on the Welding can be traced.

Auch sind mit der Membran nicht die aus dem Stand der Tech nik bekannten Stützstäbe verbunden, die ebenfalls zu Ver spannungen führen können. Ein Verschrauben solcher Stütz stäbe oder Spannschrauben in der Membran würde dazu führen, daß in der Membran für die Schwingungsübertragung schädli che Schwachstellen entstehen würden. Im übrigen bedeuten die Herstellung von Schweißnähten bzw. von Verschraubungen zusätzliche Arbeitsoperationen, die neben den schädlichen Verspannungen bzw. Schwachstellen in der Membran auch zu einer erheblichen Verteuerung der Einrichtung führen.Also, the membrane is not the state of the art nik known support rods connected to Ver can cause tension. Screwing such supports rods or tension screws in the membrane would cause that harmful in the membrane for the transmission of vibrations weaknesses would arise. Otherwise mean the production of welds or screw connections additional work operations in addition to the harmful Tension or weak points in the membrane too lead to a considerable increase in the cost of the facility.

Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Schweißnaht zwischen einer Spannschraube und der Membran besteht auch darin, daß eine solche Schweißnaht zu einer Versteifung der Membran führt, was zu einer negativen Be einträchtigung der von der Membran ausgeführten Schwingun gen führt. Ferner kann eine solche Schweißnaht nach einer vorbestimmten Betriebsdauer leicht brechen, so daß die Ge fahr besteht, daß die Lebensdauer einer solchen Einrichtung begrenzt ist.A disadvantage of those known from the prior art Weld between a tension screw and the membrane is also that such a weld seam to a Stiffening of the membrane leads to a negative loading impairment of the vibration carried out by the membrane gene leads. Furthermore, such a weld seam after a break predetermined operating time slightly, so that the Ge Fahr exists that the life of such a device is limited.

Wenn ein einziger Piezostapel durch eine Spannschraube zwi schen einem Jochteil und der Membran verspannt wird, wie des z. B. bei der DE 33 36 991 C2 der Fall ist, bedeutet dies, daß er, wie auch die an seinen beiden Seiten angeord neten Metallscheiben, Öffnungen zur Aufnahme der Spann schraube besitzen müssen. Dies führt zu einer komplizierte ren Herstellung und damit zu einer erheblichen Verteuerung der Gesamtanordnung. Wenn, um dies zu vermeiden, wie bei der DE 44 29 236 A1 beidseitig von einem Piezostapel Stütz stäbe angeordnet werden, führt dies jedoch dazu, daß der zur Unterbringung des Piezostapels zur Verfügung stehende Raum stark begrenzt wird, da in ihm neben dem Piezostapel auch die Stützstäbe untergebracht werden müssen. Dieser Raum kann insofern nicht beliebig groß gewählt werden, weil für das beim Stand der Technik als Einschraubstück dienende Gehäuse ein Außengewinde von 1 Zoll vorgegeben ist.If a single piezo stack by a clamping screw between a yoke part and the membrane is clamped, like of the z. B. in DE 33 36 991 C2, means this that he, like those arranged on both sides neten metal washers, openings for receiving the instep must own screw. This leads to a complicated one ren production and thus to a considerable increase in price the overall arrangement. If, to avoid this, as with DE 44 29 236 A1 on both sides of a piezo stack support rods are arranged, however, this leads to the fact that the available to accommodate the piezo stack Space is severely limited because it is next to the piezo stack the support rods must also be accommodated. This In this respect, space cannot be chosen arbitrarily large because for that serving as a screw-in piece in the prior art Housing an external thread of 1 inch is specified.

Vorteilhafterweise können bei der erfindungsgemäßen Ein richtung die Piezoelemente aus den oben genannten Gründen einen relativ großen Durchmesser besitzen. Dies führt zu kleineren Druckbelastungen und somit zu weniger Beanspru chung bzw. Depolarisierung des Piezos.Advantageously, in the case of the A direction of the piezo elements for the reasons mentioned above have a relatively large diameter. this leads to smaller pressure loads and therefore less stress or depolarization of the piezo.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention and its embodiments are described below explained in connection with the figures. Show it:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längs schnitt durch den erfindungsgemäßen Schwingstab; Figure 1 is a schematic representation of a longitudinal section through the vibrating rod according to the invention.

Fig. 2 eine Ansicht auf den Schwingstab der Fig. 1 von der den Schwingstäben abgewandten Seite her; Fig. 2 is a view of the vibrating rod of Figure 1 from the side facing away from the vibrating rods.

Fig. 3 eine in der Fig. 1 mit III-III bezeichnete Ansicht auf ein Anschlagteil und Fig. 3 is a III-III in Fig. 1 view of a stop and

Fig. 4 und 5 eine Weiterbildung der Erfindung. FIGS. 4 and 5, a further embodiment of the invention.

Gemäß Fig. 1 weist die vorliegende Einrichtung zur Füll standsmessung ein vorzugsweise kreiszylinderförmiges Gehäu se 1 in der Form eines Einschraubstückes auf, das an seinem Außenumfang ein Einschraubgewinde 2 besitzt, mit dessen Hilfe die Einrichtung in der Wand eines Behälters (nicht dargestellt) befestigbar ist, dessen Füllstand überwacht bzw. gemessen werden soll. Das Einschraubgewinde 2 wird da bei in das Innengewinde einer Öffnung des Behälters einge schraubt.Referring to FIG. 1, the present device for the filling level measurement is a preferably circular cylindrical housin se 1 in the form of a screw-on, which has on its outer periphery a screw thread 2, (not shown) with the aid of which means in the wall of a container can be fastened, whose level is to be monitored or measured. The screw-in thread 2 is screwed into the internal thread of an opening in the container.

An einer Seite weist das hohle Gehäuse 1 eine Membran 3 auf, an der voneinander beabstandet an der dem Gehäuse 1 abgewandten Seite zwei Schwingstäbe 4, 5 befestigt sind. Die Membran 3 ist zweckmäßigerweise an dem Gehäuse 1 ver schweißt, wie dies durch die schematisch dargestellte Schweißnaht 7 angedeutet ist. Die Membran 3 und die Schwingstäbe 4, 5 sind vorzugsweise einstückig, vorzugswei se als ein Gußteil, ausgebildet.On one side, the hollow housing 1 has a membrane 3 , on which two oscillating rods 4 , 5 are fastened at a distance from one another on the side facing away from the housing 1 . The membrane 3 is expediently welded to the housing 1 , as is indicated by the schematically illustrated weld 7 . The membrane 3 and the vibrating rods 4 , 5 are preferably formed in one piece, vorzugswei se as a casting.

In dem vom Gehäuse 1 umschlossenen Raum befindet sich ein aus piezoelektrischen Elementen bestehender Piezostapel 8, der in an sich bekannter Weise in übereinandergestapelter Form ein oder mehrere piezoelektrische Elemente aufweist, die jeweils zwischen zwei Elektroden angeordnet sind, wobei das eine piezoelektrische Element mit zwei Elektroden einen Erregungswandler zur Erregung der Schwingstäbe 4, 5 beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden und das an dere piezoelektrische Element zusammen mit seinen beiden Elektroden einen Abnahmewandler bildet, der die Schwingun gen des aus den Schwingstäben 4, 5 und der Membran 3 beste henden Schwingungsgebildes in ein elektrisches Ausgangs signal umwandelt, das einer nicht dargestellten Auswerte schaltung zugeführt wird. Der Abnahmewandler und der Erre gungswandler können eine der vier genannten Elektroden ge meinsam aufweisen. Die spezielle Ausgestaltung des Stapels 8 ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es können im Rahmen derselben auch anders ausgebildete Pie zostapel Verwendung finden.In the space enclosed by the housing 1 there is a piezo stack 8 consisting of piezoelectric elements which, in a manner known per se, has one or more piezoelectric elements stacked on top of one another, each of which is arranged between two electrodes, one piezoelectric element with two electrodes one Excitation transducer for excitation of the vibrating rods 4 , 5 when applying an alternating voltage to the electrodes and the other piezoelectric element together with its two electrodes forms a decrease transducer, the conditions of the vibrations from the vibrating rods 4 , 5 and the membrane 3 existing vibratory structure in one converts electrical output signal that is supplied to an evaluation circuit, not shown. The take-off converter and the excitation converter can have one of the four electrodes mentioned together. However, the special design of the stack 8 is not the subject of the present invention. It can also be used in the same way differently designed piezo stack.

Der Stapel 8 ist in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Weise in der Längsrichtung des Gehäuses 1 in dem von diesem um schlossenen Raum mittig so angeordnet, daß sich sein eines Ende vorzugsweise über eine Metallscheibe 19, die vorzugs weise wenigstens einen Druckzapfen 19' aufweist, an der Membran 3 abstützt. Das der Membran 3 abgewandte andere En de des Stapels 8 stützt sich vorzugsweise über eine weitere Metallscheibe 20 an einem Jochteil 9 ab, das seinerseits an der dem Stapel 8 abgewandten Seite an Anschlagteilen 10 an liegt, die in den genannten Raum vom Innenumfang des Gehäu ses 1 hineinragen und vorzugsweise einstückig mit dem Ge häuse 1 ausgebildet sind. Vorzugsweise weist das Jochteil 9 die Form einer in der Richtung eines Durchmessers des Ge häuses 1 verlaufenden rechteckigen Platte auf, die in ihrer Mitte eine Bohrung 11 mit einem Innengewinde 12 aufweist, in dem eine Stellschraube 13 verschraubbar ist, die mit ih rem in das Innengewinde 12 eingeschraubten Ende an dem an deren Ende des Stapels 8 bzw. an der Metallscheibe 20 an liegt. Beim Festziehen der Stellschraube 13 wird einerseits das Jochteil 9 fest gegen die Anschlagteile 10 gepreßt und wird andererseits der Stapel 8 zwischen der Membran 3 und dem Jochteil 9 festgespannt.The stack 8 is arranged in the manner shown in FIG. 1 in the longitudinal direction of the housing 1 in the space enclosed by this so that its one end is preferably via a metal disc 19 , which preferably has at least one pressure pin 19 ' , supported on the membrane 3 . The membrane 3 facing away from other En de of the stack 8 is supported, preferably via a further metal disk 20 of a yoke part 9 from which in turn lies on the stack 8 opposite side of stop members 10, which in the said space from the inner periphery of the Gehäu ses 1 protrude and are preferably integrally formed with the Ge housing 1 . Preferably, the yoke part 9 has the shape of a rectangular plate extending in the direction of a diameter of the housing 1 , which has in its center a bore 11 with an internal thread 12 , in which a set screw 13 can be screwed, with it into the internal thread 12 screwed end at the end of the stack 8 or on the metal disc 20 . When the set screw 13 is tightened, the yoke part 9 is pressed firmly against the stop parts 10 and the stack 8 is clamped between the membrane 3 and the yoke part 9 .

Gemäß Fig. 3 weisen die Anschlagteile 10 vorzugsweise in Richtung auf die Membran 3 vorstehende Abwinkelungen 14 auf, durch die dafür Sorge getragen wird, daß das zwischen sie eingreifende Jochteil 9 drehfest gehalten wird.According to FIG. 3, the stop parts 10 preferably have bends 14 projecting in the direction of the membrane 3 , by means of which care is taken to ensure that the yoke part 9 engaging between them is held in a rotationally fixed manner.

Eine andere Alternative zur Befestigung des Jochteiles 9 am Gehäuse 1 ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Demnach weist das Gehäuse 1 in seiner Innenwandung eine Nut 15 auf, in die die Enden des Bügelteiles 9 eingesetzt werden. Sich gegenüberliegend verlaufen zu diesem Zweck in der Innenwan dung des Gehäuses 1 von der der Membran 3 her abgewandten Seite desselben sich diametral gegenüberliegende Längsnuten 16 in der Längsrichtung des Gehäuses 1 soweit nach unten, daß sie in die Nut 15 münden. Zur Montage des Jochteiles 9 wird dieses daher von oben her in die Längsnuten 16 einge setzt, in diesen nach unten verschoben, bis seine Enden in den Bereich der Nut 15 gelangen, und dann vorzugsweise um 90° verdreht, wie dies durch die punktierte Linie 17 darge stellt ist.Another alternative for fastening the yoke part 9 to the housing 1 is shown in FIGS. 4 and 5. Accordingly, the housing 1 has a groove 15 in its inner wall, into which the ends of the bracket part 9 are inserted. Opposingly run for this purpose in the Innenwan extension of the housing 1 from the side facing away from the membrane 3 the same diametrically opposite longitudinal grooves 16 in the longitudinal direction of the housing 1 so far that they open into the groove 15 . To assemble the yoke part 9 , this is therefore inserted from above into the longitudinal grooves 16 , shifted downward into the latter until its ends reach the area of the groove 15 , and then preferably rotated by 90 °, as indicated by the dotted line 17th Darge is.

Es ist erkennbar, daß der vorliegenden Einrichtung der durch die Abmessung des Gehäuses 1 vorgegebene Raum voll vom Piezostapel 8 belegt werden kann. Anders ausgedrückt wird die Größe des Piezostapels 8 ausschließlich durch die vorgegebene Größe dieses Raumes begrenzt.It can be seen that the present device, the space predetermined by the dimensions of the housing 1 can be fully occupied by the piezo stack 8 . In other words, the size of the piezo stack 8 is limited only by the predetermined size of this space.

Claims

1. Device for level measurement with at least two vibrating rods ( 4 , 5 ) projecting into a container, which are fastened at a distance from one another on one side of a membrane ( 3 ), a piezo stack ( 8 ) being arranged in the space from one to the other the housing ( 1 ) which surrounds the oscillating rods ( 4 , 5 ) facing away from the membrane ( 3 ) is enclosed and wherein the piezosta pel ( 8 ) is clamped between the membrane part ( 3 ) and a yoke part ( 9 ), characterized in that supports the yoke part ( 9 ) directly on the housing ( 1 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the housing ( 1 ) on the inside in the direction of a diameter of the housing ( 1 ) opposite to impact parts ( 10 ) for the yoke part ( 9 ).

3. Device according to claim 2, characterized in that the stop parts ( 10 ) have on their sides each in the direction of the membrane ( 3 ) extending bends ( 14 ), with one end of the yoke part ( 9 ) between two bends ( 14 , 14 ) of an impact part ( 10 ) can be used.

4. Device according to claim 1, characterized in that in the wall of the housing ( 1 ) on the inside a circumferential groove ( 15 ) is provided that from the membrane part ( 3 ) facing away from the end of the housing ( 1 ) diametrically opposite in the Longitudinal direction of the Ge housing ( 1 ) extending longitudinal grooves ( 16 , 16 ) to the groove ( 15 ) so that the ends of the yoke part ( 9 ) can be inserted into the groove ( 15 ) in that they in the opposite longitudinal grooves ( 16 ) be used that the yoke part ( 9 ) is pushed down until the ends reach the area of the groove ( 15 ) and that the yoke part ( 9 ) is rotated so that its ends come from the area of the longitudinal grooves ( 16 ).

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piezo stack ( 8 ) has a metal disk ( 19 , 20 ) at each of its ends.

6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that in the yoke part ( 9 ) an opening ( 11 ) is arranged with an internal thread in which one end of the piezo stack ( 8 ) adjacent adjusting screw ( 13 ) for Tightening the piezo stack ( 8 ) is screwable.

7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the metal disc ( 19 ) resting on the membrane has at least one pressure pin ( 19 ') which is part of the metal disc.