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Einrichtung zur Steuerung des Flüssigkeitsstandes,
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vorzugsweise für automatisch gesteuerte Haushaltsmaschinen
Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Zweck der Erfindung ist es, die Verwendung und den Einsatz automatisch
gesteuerter Haushaltsmaschinen zu fördern.
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Es ist bekannt, zur Steuerung des Flottenstandes von insbesondere
Waschmaschinen abhängig vom Druck der Flottensäule gesteuerte Kontaifteinrichtungen
zu verwenden. Hier handelt es sich um sogenannte Druckwächter, bei welchen also
abhängig von der durch den Druck einer gemessenen Flottensäule bewirkten Kompression
eines Luftkissens die Verformung einer eine Druckdose verschließenden Membrane als
Kriterium für den gemessenen Flüssigkeitsstand und damit für die Kontaktbetätigung
nutzbar ist.
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Hierbei werden je nach dem Betrag der Verformung unterschiedliche
Kontakte nacheinander betätigt, welche also jeweils einem gemessenen Niveau entsprechen.
Die einzelnen Kontakte des Drucklfächters, welche jeweils bei einer bestimmten Flüssigkeitsstandsmessung
wirksam werden sollen, werden bei den bekannten Einrichtungen durch das zugeordnete,
den Programmablauf steuernde Programmsteuergerät festgelegt bzw.
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angewählt.
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Hierbei war jedoch der Wert oder die Höhe des jeweils ansteuerbaren
Niveaus der z.B. Waschlauge verhältnismäßig starr festgelegt, eine Änderung war
praktisch nicht möglich.
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Somit war eine Programmvariation nur in verhältnismäßig engen Grenzen
möglich und durchführbar. Gemäß einem älteren Vorschlag der Anmelderin wurde deshalb
ein anderer Lösungsweg zur Messung und Steuerung von insbesondere Laugenständen
von Waschmaschinen gesucht, der darin bestand, in den Elüssigkeits oder Laugenzulauf
einer z.B. Waschmaschine, einen proportional zur durchlaufenden Flüssigkeitsmenge
beweglichen oder betätigbaren Flüssigkeitszähler einzuschalten, der proportional
zur gemessenen durchlaufenden Flüssigkeitsmenge eine bestimmte Anzahl von elektrischen
Impulsen verabfolgt, welche einem elektrischen Digitalzähler zuführbar sind.
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Dieser Digitalzähler steuert einen Eingang eines elektronischen Komparators,
dessen anderer Eingang wiederum durch das vorzugsweise elektrische oder elektronische
Programmsteuergerät steuerbar ist.
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Bei dieser Anordnung nach dem älteren Vorschlag der Anmelderin ist
zwar von seiten des Programmsteuergerätes eine beliebige Niveauhöhe der z.B. Waschlauge
abrufbar. Der Vielseitigkeit der Programmgestaltung sind somit von der Einstellung
der Laugenhöhe oder Flotte, z.B. einer Waschmaschine her keine Grenzen gesetzt.
Es ist aber so, daß sich im Zählstand unter bestimmten Bedingungen Verschiebungen
oder Verstellungen ergeben können, so z.B. durch Stromunterbrechungen, so daß eine
absolute Messung des Laugenstandes nur bedingt durchführbar ist.
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Eine relative Berücksichtigung eines schon oder eines noch vorhandenen
Laugenstandes ist bei diesem älteren Vorschlag der Anmelderin nur bedingt möglich.
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Es ist ferner bekannt, zur elektrischen oder elektronischen Steuerung
des Wasser- oder Laugenzulaufes bei insbesondere Wasch- oder Geschirrspülmaschinen
innerhalb des Laugenbehäiters entweder galvanisch wirkende elektrische Sonden oder
NTC-Widerstände vorzusehen. Im ersten Fall erfolgt dann die Verabfolgung eines Steuersignales
von den Sonden nach dem Programmsteuergerät, wenn das ansteigende Laugenniveau eine
galv. Verbindung zwischen Sonde und Laugenbehälter oder einer weiteren elektrischen
Sonde ermöglicht. Die dadurch hervorgerufene Widerstandsänderung oder der überhaupt
erst einsetzende Stromfluß zwischen den beiden elektrischen Elektrodenanordnungen
dient dann als Kriterium für den zustande gekommenen Flottenstand innerhalb des
Laugenbehälters.
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Im zweiten Fall wird der permanent bestromte NTC-Widerstand dann abgekühlt,
wenn das Laugen- oder Flüssigkeitsniveau den fixiert angeordneten NTC-Widerstand
zu umspülen beginnt.
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Mit diesem Abkühlungsvorgang ist eine Widerstandsänderung verbunden,
welche nach einer ziemlich steilen Charakteristik verläuft und eine Steuerung des
Programmsteuergerätes bzw.
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der Programmsteuereinrichtung zur Folge hat, welche die Unterbindung
des weiteren Zulaufes von Wasser oder Lauge in den Bearbeitungsbehälter nach sich
zieht.
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Die Zuordnung von galvanisch/elektrolytischen Sonden oder von thermischen
Halbleitersonden hat zur Folge, daß sich nach und nach an diesen Laugen- oder Seifenrückstände
absetzen, welche eine Verfälschung der den Laugenzufluß steuernden
Strom-
oder Widerstandswerte zur Folge haben. Diese Anordnungen erfordern deshalb eine
wiederholte Reinigung der Sonden, wenn eine sichere Steuerung überhaupt erreichbar
sein soll.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zur Steuerung des Flüssigkeitsstandes, insbesondere bei Wasch- oder Geschirrspülmaschinen,
zu schaffen, welche jeweils den tatsächlichen Flüssigkeitsstand innerhalb der Haushaltsmaschine
zu messen gestattet und die Einstellung der unterschiedlichsten Flüssigkeitsstände
durch das steuernde Programmsteuergerät erlaubt.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Ausgestaltung
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 so wie diese im Kennzeichen desselben niedergelegt
ist.
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Die Erfindung umfaßt weiter eine Reihe von Weiterbildungen und Ausgestaltungen
dieses Erfindungsgedankens, welche aus den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Schutzansprüchen
entnehmbar sind.
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Als ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines
piezoelektrischen, insbesondere piezokeramischen Elementes als mechanisch-elektrischer
Wandler anzusehen. Ein derartiges Wandlerelement hat den Vorteil, daß es kontaktlos
arbeitet und bei kleinen Betätigungswegen ein ausreichendes Signalverhältnis gewährleistet.
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Zweckmäßig wird hierzu ein sogenanntes bilaminares Biegeelement eingesetzt,
das ein- oder zweiseitig eingespannt ist und die Verabfolgung eines Signales entsprechender
Amplitude erlaubt Ein derartiges bilaminares Biegeelement besteht z.B. zweckmäßig
aus zwei miteinander verbundenen, übereinanderliegenden Streifen aus piezokeramischem
Werkstoff, welche in Beaufschlagungsrichtung eine zueinander entgegengesetzte Polarisation
aufweisen können. Beide Streifen werden miteinander beaufschlagt bzw. betätigt und
sind zweckmäßig miteinander verbunden, so z.B. durch Verkleben.
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Will eine Ausbiegung bzw. eine Beaufschlagung eines derartigen bilaminaren
Biegeelementes vorgenommen, so wird die innerhalb der Biegung liegende Lamelle gestreckt,
die außerhalb der Biegung liegende Lamelle hingegen gedehnt. Stauchung und Dehnung
eines piezoelektrischen, insbesondere auch piezokeramischen Werkstoffes haben z.B.
resultierende Piezopotentiale unterschiedlichffl Richtungen zur Folge. Da jedoch
beide Lamellen des bilaminaren Biegeelementes unterschiedliche Polarisationen aufweisen
können, addieren sich die resultierenden Einzelpotentiale zu einem entsprechend
vergrößerten Gesamtpotential.
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Mit der Verbiegung oder Verspannung des piezoelektrischen Biegeelementes
ist gleichzeitig die Anderung von Kennwerten des piezoelektrischen Biegeelementes
verbunden, die ebenfalls meßbar ist und als Kriterium für den Betrag oder den Umfang
der Verspannung bzw. Belast##l!S des piezoelektrischen
Biegeelementes
und damit für das Naß oder den Wert des Flüssigkeitsstandes in der zu überwachenden
Haushaltsmaschine dienen kann.
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In den beiliegenden Zeichnungen ist die Erfindung im einzelnen schematisch
dargestellt.
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Es stellen dar: Fig. 1 die Anordnung nach der Erfindung in einer schematischen
Darstellung.
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Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Weiterbildung der Anordnung nach
Fig. 1.
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In Fig. 1 stellt 1 den Behälter einer automatisch gesteuerten Haushaltsmaschine,
insbesondere einer Wasch- oder Geschirrspülmaschine dar, deren Flüssigkeitsstand
h durch die Anordnung nach der Erfindung überwacht werden soll. Hierzu ist am Behälter
1 eine Düse 2 vorgesehen, welche über eine Öffnung 3 mit der Behälterflüssigkeit
verbunden ist. Ein Stutzen 4 dieser Düse 2 ist mit einem Schlauch 5 verbunden, der
andererseits an den Stutzen 6 einer Membrandose 7 geführt ist. Diese Membrandose
7 ist in an und für sich bekannter Weise durch eine Membrane 8 abgedeckt bzw. verschlossen.
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Über die Düse 2 bildet sich unter dem Einfluß der Flüssigkeitssäule
in dem Schlauch 5 und der Membrandose 7 ein pneumatisches Luftkissen aus, welches
zur Jerspannung der elastischen
Membrane 8 führt und zwar je nachdem,
wie hoch diese Flüssigkeitssäule h auf Grund des in dem Behälter 1 vorhandenen Flüssigkeitsniveau
ausgebildet ist.
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Der Betrag der relativen Auslenkung bzw. Verspannung der Membrane
8 unter dem Einfluß der pneumatischen Drucksäule ist also ein direktes Maß für den
Wert oder die Höhe des Flüssigkeitsstandes h.
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In dem Schlauch 5 ist ein Kapillarpfropfen 9 vorgesehen, welcher in
bekannter Weise eine Dämpfung von momentanen Druckänderungen innerhalb der Düse
2 bzw. des Schlauches 5 bewirkt, die z.B. durch Schwallbewegungen der im Behälter
1 enthaltenen bzw. einfließenden Nutzflüssigkeit hervorgerufen werden können. Die
durch den Kapillarpfropfen 9 bewirkte Dämpfung der auftretenden Druckänderungen
bewirkt, daß nur länger wirksame Änderungen des Flüssigkeitsstandes im Behälter
1 von Einfluß auf die Verspannung der Membrane 8 werden können.
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über ein Gestänge 1o ist nun die Membrane 8 mit einem piezoelektrischen
Elemente 11 verbunden, welches in diesem Ausführungsbeispiel als einseitig gehaltertes
Biegeelement ausgebildet ist, das in einem Sockel 12 gehaltert ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das piezoelektrische Biegeelement 11 als bilaminares Element ausgebildet, welches
aus den beiden Plättchen 11a, 11b und der Metallzunge 11c besteht. Alle drei Teile
bilden eine Einheit.
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Die Metallzunge 11a dient der Beaufschlagung durch das Gestänge 10
und damit durch die Membrane 8, sowie zur Halterung des Biegeelementes 11 in dem
zugeordneten Sockel 12.
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Unter dem Einfluß des durch die Membrane 8 über das Gestänge 1o bewirkten
Beaufschlagung oder Belastung des piezoelektrischen Elementes 11, wird dieses um
seinen Fixpunkt im Sockel 12 verspannt und ändert dadurch seine elektrischen Kennwerte.
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So wird z.B. an den Außenbelägen der Plättchen 11a, 11b in Fig. 1
eine piezoelektrische Spannung erzeugt, welche jedoch hier zunächst nicht als Meßkriterium
geeignet ist, da dieser Potentialwert durch Isolationsfehler und Übergangswiderstände
nach und nach ausgeglichen, d.h. zum Verschwinden gebracht wird und somit dann auf
Grund dieser vorliegenden Zeitkonstante für den Meßvorgang nicht mehr zur Verfügung
steht. Die bei der Verspannung eines piezoelektrischen Elementes auftretende elektrische
Spannung ist auf Grund ihrer fehlenden Langzeitkonstanz zunächst also nicht ohne
weiteres für die Feststellung des Flüssigkeitsniveaus innerhalb des Behälters 1
geeignet.
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Statt dessen wird gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung
z.B. vorgeschlagen, die mit der sich ändernden Belastung oder Verspannung des Biegeelementes
11 variable Kapazität oder elektrische Resonanzfrequenz desselben als Meßkriterium
zu verwenden, weil es sich hier um Größen handelt, welche im wesentlichen von zeitlich
konstanter Natur sind und praktisch dauernd verfügbar bleiben, unabhängig davon,
wieviel Zeit seit der letzten Änderung der Belastung oder Verspannung des Biegeelementes
11 vergangen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das piezoelektrische
Biegeelement 11 als piezokeramisches Teil herausgebildet, und z.B. aus einem Werkstoff
hergestellt, welcher unter dem Handelsnamen Piezoxid bekannte worden ist. Diese
piezokeramischen Teile sind preiswert, weitgehend unempfindlich gegen äußere Einflüsse
und weisen bei mechanischer Beaufschlagung der Belastung eine ausreichende Änderung
ihrer elektrischen Kenngrößen auf.
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Die piezokeramischen Elemente sind außerdem unempfindlich gegen Feuchtigkeit
und chemische Einflüsse von außen, so, wie diese z.B. bei automatisch gesteuerten
Haushaltsmaschinen, so Wasch- und Geschirrspülmaschinen, auftreten können.
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Derartige Werkstoffe bestehen bevorzugt aus Blei-Zirkonat-Titanat,
Kalium-Natrium-Niobat o.ä. keramischen Verbindungen.
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Diese keramischen piezoelektrischen Teile bzw. Biegeelemente 11 haben
in der Anwendung beim Gegenstand nach der Erfindung den Vorteil, daß sie einerseits
mechanisch, chemisch und klimatisch beständig sind und andererseits schon geringe
Verspannungen bzw. Auslenkungen ausreichend sind, um eine genügende Kenngrößen-Variation,
welche zur Messung nutzbar ist, zu erzielen.
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Das keramische, piezoelektrische Biegeelement 11 ist beispielsweise
nur einseitig gelagert bzw. gehaltert.
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Es wäre aber auch eine zweiseitige Lagerung bzw. Halterung des Biegeelemente
11 möglich, wobei dann das Gestänge 1o der Membrane 8 zweckmäßig etwa mittig am
Biegeelement 11 angreifend angeordnet sein müßte.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind nun die
Beläge des keramischen piezoelektrischen Biegeelementes 11 über Zuleitungen 13 mit
einer Oszillatorschaltung 14 verbunden. Entsprechend einer Ausbildungsform der Erfindung
wird der physikalische Effekt genutzt, daß bei der Beaufschlagung des piezoelektrischen,
insbesondere piezokeramischen Elementes, vorzugsweise Biegeelementes 11, eine Änderung
der Kapazität auftritt, welche als meßbares Kriterium für den Grad der vorliegenden
Belastung und damit für die Höhe des vorliegenden Flüssigkeitsstandes nutzbar ist.
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Hierzu ist der Oszillator 14 zugeordnet, dessen Eigenfrequenz durch
die Kapazitätsänderunu des beaufschlagten bzw.
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belasteten piezoelektrischen Biegeelementes 11 variierbar bzw.
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verstimmbar ist. Diese Anderung der Frequenz dient also als Kriterium
für den Wert der eingetretenen Belastungsänderung des Biegeelementes 11 und damit
der Anderung des Flüssigkeitsstandes h im Behälter 1 der insbesondere Wasch- oder
Geschirrspülmaschine. Die Messung der Kapazitätsänderung erlaubt eine freie Wahl
der Meßfrequenz in einem weiten Bereich.
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Als weiteres Kriterium für die Feststellung der vorliegenden Belastung
des piezoelektrischen Biegeelementes 11 und damit mittelbar des Flüssigkeitsstandes
im Behälter 1 der insbesondere Wasch- oder Geschirrspülmaschine bietet sich der
physikalische Effekt an, daß sich die elektrische Eigen-oder Resonanzfrequenz des
Biegeelementes 11 bei der mechanischen Beaufschlagung ändert. Hierbei sind ausgeprägte
Signalwerte erzielbar.
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Für den Fall, daß dieser Effekt genutzt werden soll, wird das piezoelektrische
Biegeelement 11 zweckmäßig als frequenzbestimmendes Teil eines piezoelektrischen
Oszillators 14 geschaltet, das mit seiner jeweiligen elektrischen Eigenfrequenz
die Schwingfrequenz des Oszillators 14 bestimmt. Die Schwingfrequenz des piezoelektrischen
Oszillators 14 ist dann mit der Belastung des piezoelektrischen, insbesondere piezokeramischen
Biegelementes 11 variabel und somit als Hilfsgröße für den Meß- und Steuervorgang
unmittelbar nutzbar.
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Der Oszillatorschaltung 14 ist eine F#requenz-Digitalwandler schaltung
15 nachgeordnet, welche der laufenden Umwandlung des vom Meßvorgang bestimmten Frequenzwertes
des Oszillators 14 in ein digitales elektrisches Signal dient.
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Das am Ausgang 15a des Frequenz-Digitalwandlers 15 verabfolgte digitale
Signal kennzeichnet also den Wert des durch die Anordnung nach der Erfindung zu
messenden Flüssigkeitsstandes h.
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Dieses digitale Signal, welches den Ist-Wert des Flüssigkeits standes
h im Behälter 1 der nsbesondere Wasch- und Geschirrspülmaschine darstellt, wird
dem Eingang 16a einer
elektronischen Komparatorschaltung 16 zugeführt
, deren zweiter Eingang 16b vom Ausgang 17a eines elektrischen oder elektronischen
Programmsteuergerätes 17 auf den Soll-Wert des Flüssigkeitsstandes h digital markiert
bzw.
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voreingestellt worden ist.
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Durch einen Vergleich zwischen Ist-Wert und Soll-Wert des Flüssigkeitsstandes
h im Behälter 1 wird von der elektronischen Komparatorschaltung 17 bestimmt, ob
auf Grund einer festgestellten Abweichung vom Soll-Wert ein Regel- oder Korrekturvorgang
eingeleitet werden soll, oder aber ob sich die Abweichungen zwischen den beiden
Werten in einer Größenordnung bewegen, welche tragbar ist.
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Ist der festgestelltte Flüssigkeitsstand h im Behälter 1 z.B. zu niedrig,
so wird von der Komparatorschaltung 16 über den Ausgang 16c und eine nachgeordnete
Treiberschaltung 18 das Ventil 19 beaufschlagt, d.h. geöffnet, so daß über die Zuleitungen
19a, 19b der Flüssigkeitszulauf in den Behälter 1 erfolgen kann.
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Wird andererseits durch die elektronische Komparatorschaltung 16 eine
Überschreitung des zulässigen Flüssigkeitsstandes h ermittelt, so wird über den
Ausgang 1 6d und die nachgeordnete Treiberstufe 18 die Pumpe 20 eingeschaltet, un
welcher dann über die Rohrleitungen 2ca, 20b die überschüssige Flüssigkeitsmenge
abgeleitet wird.
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Ist entwederdurch Flüssigkeftszulauf in den Behälter 1 oder durch
Abpumpen von Flüssigkeit aus diesen der Flüssigkeitsstand h korrigiert, so werden
über die Ausgänge 16c, 16d entweder das Ventil 19 oder die Pumpe 20 wieder abgeschaltet.
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Wurde hingegen von der elektronischen Komparatorschaltung 16 eine
Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert des Flüssigkeitsstandes h innerhalb der zulässigen
Grenzen festgestellt, so erfolgt keine Beeinflussung der Regelstrecke, d.h. weder
Ventil 19 noch Pumpe 20 werden eingeschaltet.
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Durch eine Netzstromversorgung 21 werden Oszillatorschaltung 14, Frequenz-Digitalwandler
15, die elektronische Komparatorschaltung 16 sowie - soweit erforderlich - das elektrische
oder elektronische Programmsteuergerät 17 mit der notwendigen IVeinstspannung versorgt.
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Die vorzugsweise mit elektronischen Bauelementen - z.B.
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Triacs - oder aber mit Relais arbeitende Treiberschaltung 18 wird
aus dem Netz mit versorgt, da die dieser nachgeschalteten Funktionselemente (Ventil
19, Pumpe 20) netzbetätigte Elemente sind.
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Außer dem Biegeelement 11 sind auch andere Formen von piezoelektrischen
Elementen denkbar. So können auch scheiben-oder zylinderförmige piezoe?#ktrische
Elemente für denselben Zweck Verwendung finden.
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Allerdings haben sich die ein- oder zweiseitig gehalterten Biegeelemente
11 für den Anwendungsbereich der Anordnung nach der Erfindung als besonders geeignet
erwiesen.
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Es ist ein besonderer Vorteil der keramischen piezoelektrischen Elemente,
daß sich diese leicht in den unterschiedlichsten Formen herstellen lassen und somit
ganz besonders an den jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden können.
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Fig. 2 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform der Erfindung. Sie
betrifft die Art der Anordnung bzw. des Einsatzes des piezoelektrischen Elementes
11. Durch einen zugeordneten Frequenzgenerator 25 wird das als einseitig gehaltertes
Biegeelement 11 ausgebildete piezoelektrische Element über die Beläge 26, 27 und
28 einer piezoelektrischen Beaufschlagung durch eine Wechselspannung unterworfen,
die durch den Frequenzgenerator 25 erzeugt wird und welche zu einer mechanischen
Vibration des aus den Plättchen 11a und 11b und der Metallzunge 11c bestehenden
Biegeelementes 11 führt. Diese elektrisch bzw. elektronisch erzeugte mechanische
Vibration des Biegeelementes 11 hat an weiteren aufgebrachten Belägen 29, 3c wiederum
die Erzeugung einer piezoelektrischen Wechselspannung zur Folge, welche durch einen
nachgeordneten Gleichrichter mit elektronischer Siebung 31 in einen analogen Gleichspannungswert
umwandelbar ist, der seinerseits wiederum durch den analogen Digitalwandler 15 in
ein digitales elektrisches Signal unwandelbar ist.
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Durch spezielle Maßnahmen wird die Wechselspannungsbeaufschlagung
des piezoelektrischen Biegeelementes 11 konstantgehalten, so daß bei gleichbleibender
Beaufschlagung des piezoelektrischen Biegeelementes durch die Membrane 8 das piezoelektrische
Biegeelement 11 mechanische Vibrationen konstanter Amplitude ausführt. Ändert sich
die Belastung des Biegeelementes 11 durch eine sich ändernde Beaufschlagung der
Membrane 8 auf Grund einer sich ändernden Luftsäule im Schlauch 5 bzw. der Membrandose
7, so ändert sich die Amplitude des oszillierenden piezoelektrischen Biegeelementes
11 und damit die an den Belägen 29 und 30 abnehmbare, piezoelektrische Wechselspannung.
Die Beläge 29 und 30 sind mit Zuleitungen 29a und 30a mit dem Gleichrichter mit
elektronischem Sinusteil 31 verbunden.
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Das piezoelektrische Biegeelement 11 erzeugt also an den Ausgängen
29a, 30a ein stetiges analoges Signal in Form einer piezoelektrischen Wechselspannung,
welche durch die nachgeordnete Gleichrichterstufe mit elektronischem Siebungsteil
31 in eine entsprechende Gleichspannung umgesetzt wird.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nach Fig.2 möglich,
den Frequenzgenerator 25 als selbständigen Oszillator auszubilden, der auch z.B.
quarzgesteuert sein kann. Hierdurch wird eine relativ große Frequenzkonstanz gewährleistet
und somit sichergestellt, daß die auf den Belägen 29, 30 erzeugte Wechselspannung
ihrem Betrag nach nur von der
Amplitude des schwingenden piezoelektrischen
Biegeelementes 11 abhängt. Diese Amplitude ist aber - abgesehen von der Spannung
am Ausgang des beaufschlagenden Frequenzgenerators 25, welche jedoch als stabilisiert
angenommen werden kann -ausschließlich von der Bedämpfung des piezoelektrischen
Biegeelementes 11 durch die Membrane 8 und damit vom Flüssigkeitsstand h des Behälters
1 abhängig.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung nach Fig.2 wird
das piezoelektrische Biegeelement 11 selbst zur Erzeugung von Schwingungen verwendet.
Hierzu ist das piezoelektrische Biegeelement 11 mit seinen Belägen 26, 27 und 28
in einen elektronischen Rückkopplungskreis geschaltet, der durch eine im wesentlichen
den Verstärker darstellende Schaltungsanordnung 25 und das piezoelektrische Biegeelement
11 gebildet ist.
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Hierbei können z.B. die Beläge 26 und 28 die der Erregung des Einganges
des Verstärkers 25 dienende piezoelektrische Spannung am Biegeelement 11 abnehmen,
während die Beläge 27 und 28 der rückkoppelnden antreibenden Beaufschlagung des
Biegeelementes 11 dienen können. Eine derartige Schaltungsanordnung eines beaufschlagenden
Oszillators zeigt einen relativ einfachen Aufbau, ist jedoch nicht so frequenzkonstant,
wie z.B. ein quarzgesteuerter Oszillator. Die Frequenzkonstanz ist jedoch noch als
im allgemeinen ausreichend zu betrachten.
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Die Rückkopplung zwischen den Eingangsleitungen 26a, 28a und den Ausgangsleitungen
27a, 2Sa des Verstärkers 25 erfolgt mechanisch-elektrisch über das Biegelement 11
bzw.
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auch rein elektrisch kapazitiv über die Beläge 26, 27 und 28 des Biegeelementes
11.
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Über die Verbindungsleitungen 29a, 33a, welche von den Belägen 29,
30 wegführen, ist die erzeugte Wechselspannung dem Gleichrichter mit Siebteil 31
zuführbar. Dessen Ausgang 31a wiederum ist mit einer nachgeordneten Analog-Digitalwandlerschaltung
15' verbunden, durch welche der analoge Wert der am Ausgang 31 verabfolgten elektrischen
Gleichspannung in ein entsprechendes elektrisches digitales Signal umwandelbar ist.
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Die unterschiedliche Schwingungsamplitude der Vibrationen des piezoelektrischen
Biegeelementes 11 und damit die unterschiedliche an den Belägen 29, 30 abnehmbare
Viechselspannung ergeben sich also durch die unterschiedliche Dämpfung des schwingenden
Systemes abhängig von der variierenden Belastung des Biegeelementes 11 durch die
Membrane 8 bzw.
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das Gestänge 10.
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Je größer die Bedämpfung des oszillierenden piezoelektrischen Biegeelementes
11 ist, desto kleiner wird die Schwingungsamplftude desselben und desto kleiner
die abnehmbare Wechselspannung an den Belägen 29 und 30.
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Bei dem Scbwingungsvorgang des piezoelektrischen Biegelementes entsteht
eine jeweils phasenmäßige unterschiedliche Belastung der die Metallzunge 11c umgebenden
Plättchen 11a, Ilb, die aus piezoelektrischem, insbesondere piezokeramischem Werkstoff
gefertigt sind.
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Bei einer Elongation des piezoelektrischen Biegeelementes 11 nach
oben z.B., erfährt das Plättchen 11a eine Stauchung, das Plättchen lib hingegen
eine Dehnung. Hier handelt es sich um piezoelektrische entgegengesetzt wirkende
Vorgänge, welche an beiden Plättchen lla, 11b die Erzeugung von Polaritäten entgegengesetzten
Vorzeichens zur Folge haben. Die z.B.
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an den Belägen 29, 30 abnehmbare Spannung, wäre in diesem Fall also
gleich 0, da sich beide Polaritäten der erzeugten Piezospannung entgegengesetzten
Vorzeichens über die Metallzunge 11c hin aufheben wurden.
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Deswegen sind die beiden aus piezoelektrischem, vorzugsweise piezokeramischem
Werkstoff bestehenden beiden Plättchen 11a, 1 ib auf der Metallzunge 11 c so aufzubringen
bzw. anzuordnen, daß die remanenten Polarisationen derselben einander entgegengerichtet
liegen. In diesem Falle wird eine wirksame Gesamtspannung an den Belägen 29, 30
erreicht, welche sich additiv aus den beiden Einzelspannungen der Plättchen 11a
und llb ergibt bzw. zusammensetzt.
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Bei einem Wechsel der Elong#ation von oben nach unten andererseits
wieder, erfährt das obere piezoelektrische Plättchen 11a eine Dehnung, das untere
Plättchen lib hingegen eine Stauchung.
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Dieser Wechsel der Beaufschlagung hat aber auch einen Wechsel bzw.
eine Umkehr der erzeugten piezoelektrischen Potentiale zur Folge. Dies bedeutet
aber, daß bei einem jeden Hin- und Hergang des piezoelektrischen Biegeelementes
11 während einer Schwingung zwei Spannungsimpulse unterschiedlicher Polarität erzeugbar
sind, somit also bei fortlaufenden Elongationen bzw. Schwingungen des piezoelektrischen
Biegeelementes 11 an den Belägen 29, 3o in der Tat eine Afechselspannung abnehmbar
ist, deren Frequenz der mechanischen Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Biegeelementes
11 entspricht.
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Die Erregung des piezoelektrischen Biegeelementes 11 erfolgt zweckmäßig
im Bereich oder in der Umgebung der mechanischen Resonanzfrequenz desselben. Dies
hat den Vorteil, daß auch bei schwächerer Beaufschlagung durch den Frequenzgenerator
bzw. den Verstärker 25 eine ausreichende Elongation der mechanischen Vibrationen
oder Schwingungen erreichbar ist.
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Die Anwendung des piezoelektrischen Biegeelementes 11 in Verbindung
mit einem dieses beaufschlagenden Frequenzgenerators 25 bietet den Vorteil, daß
unmittelbar vom Biegeelement 11 ein bleibendes Signal in Form z.B. einer an den
Belägen 29, 30 abnehmbaren Wechselspannung als Kriterium für die mechanische Belastung
des piezoelektrischen Biegeelementes 11 durch die Membrane 8 ableitbar ist, welches
außerdem in einer ausreichenden Amplitude zur Verfugung steht.
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Ein durch eine Zeitkonstante bedingter Verlust des Signales wie bei
einer statischen Spannungsmessung kann also nicht auftreten.
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Wird das piezoelektrische Biegeelement 11 unmittelbar zur Schwingungserzeugung,
also als Teil des Frequenzgenerators 25, herangezogen, so bietet dies die Möglichkeit,
die unter dem Einfluß der wechselnden mechanischen Belastung variierende mechanische
Eigenfrequenz des piezoelektrischen Biegeelementes n als Meßkriterium anzuwenden
bzw. zu nutzen. Die Messung der Frequenz hat den Vorteil, daß diese relativ unabhängig
von der Speisespannung des Frequenzgenerators bzw. Verstärkers 25 ist und somit
auch bei nicht extrem stabilisierter Speisespannung eine zuverlässige Messung erlaubt.
Die Messung der Wechselspannung hingegen bietet den Vorteil einer einfachen Wandlerschaltung
für die ]\nalog-Digitalwandlung des erhaltenen analogen Meßsignales.
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Die Anordnung nach der Erfindung arbeitet kontaktfrei, bei gleichzeitig
einfachem Aufbau der Meßanordnung.
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Gemäß einer z##ckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Membrandose
7 mit der Membrane S, das Gestänge 1o mit dem piezoelektrischen bzw. piezokeramischen
Element 11 nebst dem Sockel 12 sowie die elelcbronischen Bauelemente der Generator-
oder Oszillatorschaltung 14, 25 miteinander zu einer Baueinheit vereinigt, welche
durch eine Schutzkappe abgedeckt bzw. geschützt und für sich montiertbar ist und
die über den Schlauch 5 und die entsprechenden elektrischen Zuleitungen mit den
übrigen Teilen der automatisch gesteuerten Haushaltsmaschine mechanisch und elektrisch
verbunden ist.
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Leerseite