DE3741568C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bestimmung der Dichte in Flüssigkeiten, mit einem innerhalb eines Gehäuses angeordneten, im wesentlichen scheibenartigen Oszillator, durch den unter Bildung einer flüssigkeitsdichten Trennwand der Gehäuseinnenraum in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt ist, wobei die Kammern jeweils wenigstens eine Öffnung für den Eintritt der Meßflüssigkeit aufweisen und der Oszillator einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandler für die Erregung des von dem Oszillator und der Meßflüssigkeit in den Kammern gebildeten Schwingungssystems sowie für die Erzeugung eines Rückkopplungssignals, das zur Selbsterregung des Schwingungssystems eine Rückkopplungsschaltung einem Verstärker für die Versorgung des Wandlers mit einem Wechselfeld zugeführt ist, enthält, und mit einer Einrichtung zur Messung der sich unter Selbsterregung einstellenden Resonanzfrequenz des Schwingungssystems als von der Dichte der Flüssigkeit abhängigem Meßsignal.

Vorrichtungen dieser Art für die Bestimmung der Dichte in Flüssigkeiten sind in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2 39 228/1985 und in der europäischen Patentanmeldung Nr. 86 114 770.0 (veröffentlicht unter der Nr. EP-A 1 02 21 467) beschrieben. Diese Vorrichtungen ermitteln die Dichte bzw. den Druck eines Fluids unter Ausnutzung der Eigenschaft, daß die Resonanzfrequenz eines zusammengesetzten Schwingungssystems sich in Abhängigkeit von der Massenwirkung an einem in einem Durchströmungskanal eingebrachten Fluids, d. h. in Abhängigkeit von der Dichte des zu messenden Fluids, ändert. Das zusammengesetzte Schwingungssystem ist zusammengesetzt aus einem scheibenförmigen mechanischen Schwingungsteil und einem akustischen Schwingungssystem, das einen Hohlraum aufweist, der wengistens an einer Oberfläche des mechanischen Schwingungsteils gebildet ist, und einem das Fluid einbringenden Durchströmungskanal zum Zuführen des Fluids in den Hohlraum.

Offene Schwingungsgebilde zur Schallabstrahlung und Schallaufnahme sind auch in der Druckschrift DE-FB: "Hütte I", 28. Auflage, Seite 376 (1955) beschrieben.

In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt dargestellt, der den wesentlichen Teil eines Schwingungswandlers darstellt, der zu dem oben erläuterten Zweck verwendet wird. Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des in der Fig. 1 dargestellten Wandlers. In den Fig. 1 und 2 ist ein Schwingungsorgan 1 dargestellt mit einem zylindrischen Bodenteil 1a. Ein scheibenförmiger piezoelektrischer Schwinger 2 ist an dem Bodenteil 1a befestigt. Ein offenes Ende ist mit einem kragenförmigen Ring 1b versehen. Das Schwingungsorgan 1 ist aus einem dünnen Metallfilm von etwa 0,1 mm Dicke gebildet. Der piezoelektrische Schwinger 2 besitzt ein scheibenförmiges piezoelektrisches Substrat 2a mit einer Dicke von etwa 0,2 mm, eine erste Elektrode, die an einer Oberflächenseite des Substrats 2a gebildet ist, eine zweite Elektrode 2c und eine dritte Elektrode 2d, welche an der anderen Oberflächenseite des Substrats 2a gebildet sind. Die Oberflächenseite des Substrats 2a, an welcher die erste Elektrode 2b vorgesehen ist, ist an dem Boden 1a des Schwingungsorgans 1 befestigt. Die Elektrode 2b ist elektrisch mit dem Schwingungsorgan 1 verbunden.

Ein mechanischer Schwingungsteil 3 setzt sich zusammen aus dem zylindrischen Schwingungsorgan 1 und dem piezoelektrischen Schwinger 2. Ein zylinderischer, mit einem Boden versehener Behälter 4 besitzt ein Innengewinde 4a, das am offenen Ende vorgesehen ist. Ein Ende eines zylindrischen Rohrs 5 ist an der Außenseite eines Bodenteils 4b des Behälters befestigt. Der Bodenteil 4b des Behälters 4 ist mit einer kreisförmigen Durchgangsöffnung 4c ausgestattet, durch welche das Innere des Rohres 5 mit dem Innenraum des Behälters 4 in Verbindung steht. Die Durchgangsöffnung 4c besitzt einen Durchmesser der gleich dem Innendurchmesser des Rohres 5 ist.

Ein weiteres zylindrisches Gehäuse 6 mit einem Boden dient zur Befestigung des Schwingungsorgans 1. Der kragenförmige Ring 1b ist zwischen den Behälter 4 und das Gehäuse 6 eingelegt, und ein Außengewinde 6a an der Außenseite des Gehäuses 6 ist in das Innengewinde 4a eingeschraubt. Auf diese Weise ist das Schwingungsorgan 1 fixiert. Ein Bodenteil 6b des Gehäuses 6 ist mit einer Durchgangsöffnung 6c versehen. Eine Leiterplatte 8 für eine gedruckte Schaltung, welche eine Detektorschaltung 7 aufweist, ist fest mit der Innenfläche des Bodenteils 6c verbunden. Ein erster Hohlraum 9 wird vom Schwingungsorgan 1 und dem Behälter 4 umfaßt. Die Hohlräume 9 und 10 sind durch das Schwingungsorgan 1 voneinander getrennt, so daß man eine hohe Dichte des Fluids hat. Die Elektroden 2c und 2d des piezoelektrischen Schwingers 2 und des Schwingungsorgans 1 sind über elektrische Leiter 11b und 11c mit der Detektorschaltung 7 verbunden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des in der Fig. 1 dargestellten Wandlers erläutert. Bei Beginn der Messung wird der Wandler in einem zu messenden Fluid 12 angeordnet. Das Fluid 12 fließt durch das Rohr 5 in den Hohlraum 9 und durch die Durchgangsöffnung 6c in den Hohlraum 10. Unmittelbar nachdem die Detektorschaltung 7 mit Strom versorgt ist, wird eine Wechselspannung 13a von einem Verstärker 13 abgegeben (Fig. 2). Die Spannung 13a wird an die zweite Elektrode 2c des piezoelektrischen Schwingers 2 gelegt. Das piezoelektrische Substrat 2a ist so ausgebildet, daß es sich in radialer Richtung ausdehnt und zusammenzieht in Abhängigkeit davon, ob die Spannung 13a positiv oder negativ ist. Der Bodenteil 1a des Schwingungsorgans 1 bildet auf diese Weise Biegungsschwingungen in axialer Richtung des Rohres 5 des Schwingungsorgans. Eine Wechselspannung wird in einer Leitung 14 in Abhängigkeit von der Verformung des piezoelektrischen Substrats 2a zwischen der ersten Elektrode 2b und der dritten Elektrode 2d des Schwingers 2 erzeugt. Diese Spannung in der Leitung 14 wird einer Rückkopplungsschaltung 15 zugeleitet, welche eine positive Rückkopplung der Ausgangsspannung in einer Leitung 15a für den Verstärker 13 bewirkt. Der Bodenteil 1a des Schwingungsorgans führt selbständige Schwingungen aus unter Aufrechterhaltung eines Biegungsschwingungsverhaltens, bei welchem die Resonanz bei der Eigenschwingungsfrequenz F des zusammengesetzten Schwingungssystems 18 vorliegt. Dieses Schwingungssystem besteht aus: einem ersten akustischen Schwingunssystem 16, das durch den ersten Hohlraum, die Durchflußöffnung 4c und den inneren Teil des Rohres 5 gebildet ist, wobei das Schwingungssystem 16 auf dem Fluid 12, welches in einen Fortpflanzungsraum eingebracht ist, basiert; dem mechanischen Schwingungsteil 3; einem zweiten akustischen Schwingungssystem 17, das vom zweiten Hohlraum 10 und der Durchgangsöffnung 6c gebildet ist, wobei das Schwingungssystem auf dem in den Fortpflanzungsraum eingebrachten Fluid 12 beruht. Die Eigenschwingungsfrequenz F hängt, wie noch erläutert wird, von einer Dichte g des zu messenden Fluids 12 ab und stimmt ferner mit einer Frequenz der Wechselspannung in der Leitung 13a überein. Die Dichte g läßt sich daher durch Erfassen der Frequenz der Ausgangsspannung in der Leitung 13a messen. Eine Ausgangsschaltung 19 empfängt an ihrem Eingang die Spannung in der Leitung 13a und erleichtert die Messung der Eigenfrequenz F durch Ausgabe eines Impulskettensignals 19a mit einer Impulsfreqeunz, die mit der Frequenz der Spannung in der Leitung 13a übereinstimmt. Die Detektorschaltung 7 weist den Verstärker 13, die Rückkopplungsschaltung 15 und die Ausgangsschaltung 19 auf.

Im folgenden wird erläutert, daß die Eigenschwingungsfrequenz F eine Funktion der Dichte g ist. Wie schon erläutert, bildet der in der Fig. 1 dargestellte Wandler ein zusammengesetztes Schwingungssystem, das aus dem mechanischen Schwingungsteil 3, welcher ein mechanisches Schwingungssystem bildet, dem ersten akustischen Schwingungssystem 16 und dem zweiten akustischen Schwingungssystem 17 besteht. Anhand der Fig. 3 wird an einem elektrischen Ersatzschaltbild erläutert, wie das Schwingungssystem 18, die akustischen Schwingungssystems 16 und 17 in das mechanische Schwingungssystem umwandeln. In der Fig. 3 bezeichnen Mm und Cm eine effektive Masse und eine Federeigenschaft des mechanischen Schwingungsteils 3. Mit M_{a 1} ist eine Massenwirkung des im Rohr 5 vorhandenen Fluids 12 bezeichnet. Mit C_{a 1} ist eine akustische Kapazität des im ersten Hohlraum 9 befindlichen Fluids bezeichnet. M_{a 2} bezeichnet eine Massenwirkung des in der Durchgangsöffnung 6c vorhandenen Fluids 12 und C_{a 2} bezeichnet eine akustische Kapazität des im zweiten Hohlraum 10 befindlichen Fluids 12. Mit a 1 und a 2 sind Umwandlungskoeffizienten für bestimmte Umwandlungskonstanten der akustischen Schwingung des mechanischen Schwingungssystems bezeichnet. Die erwähnten akustischen Kapazitäten C_{a 1} und C_{a 2} sowie die Massenwirkungen M_{a 1} und M_{a 2} können gemäß der folgenden Formeln (1) und (2) ersetzt werden.

C_{a 1} = V₁/(ρC²), M_{a 1} = (ρl₁)/S₁ (1)
C_{a 2} = V₂/(ρC²), M_{a 2} = (ρl₁)/S₂ (2)

Hierbei bedeuten V₁ und V₂ die Volumina der Hohlräume 9 und 10, c die Schallgeschwindigkeit, l₁ und S₁ sind die Länge und der Querschnitt des Rohres 5 und l₂ S₂ sind die Länge und der Querschnitt der Durchgangsöffnung 6c.

Die Fig. 3 dient zur Erläuterung des in Fig. 1 dargestellten Wandlers. Die akustische Kapazität C_{a 2} ist so ausgebildet, daß sie ansteigt, während die Massenwirkung M_{a 2} abfällt. Der wesentliche Teil des Wandlers ist so ausgebildet, daß eine Resonanzfrequenz F_{a 2} des Schwingungssystems, das zusammengesetzt ist aus C_{a 2} und M_{a 2}, wesentlich geringer ist als eine Resonanzfrequenz Fm des Schwingungssystems, welches aus Cm und Mm zusammengesetzt ist. Demzufolge läßt sich die Darstellung der Fig. 3 auf die Darstellung in der Fig. 4 reduzieren.

Die Fig. 4 läßt sich in die Fig. 5 überführen, in welcher ein akustisches Filter (ca₁/a₁²) und eine akustische Masse (a₁² × M_{a 1}) so ausgewählt sind, daß die unten angegebene Formel (4) für eine Winkelfrequenz wn, die durch die Formel (3) wiedergegeben ist, gilt. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, ist wn die Resonanzwinkelfrequenz der in der Fig. 5 dargestellten Schaltung.

ωn² = [1/(Cm · (Mm + a₁² · M_{a 1}))] (3)
1/(ω_n · (C_{a 1}/a₁²)) << ωn · (a₁² · M_{a 1}) (4)

Die Gleichung (5) ergibt sich aus den Gleichungen (3) und (4). Für eine ausreichende Meßempfindlichkeit bei der Messung der Dichte ist es jedoch erforderlich, die Bedingung der Gleichung (6) zu erfüllen. Die Gleichung (7) ist aus den Gleichungen (5) und (6) abgeleitet:

Der wesentliche Teil des in Fig. 1 dargestellten Wandlers ist aufgebaut, daß die Gleichungen (6) und (7) gültig sind. Folglich wird die Gleichung (4) durch die Gleichung (5) festgesetzt. Für diesen Fall läßt sich das elektrische Ersatzschaltbild des zusammengesetzten Schwingungssystems durch die Fig. 5 wiedergeben. Hieraus ergibt sich, daß das Schwingungssystem 18 die selbst erregte Schwingung bei der Resonanzfrequenz F entsprechend bn der Gleichung (3) beibehält. Aus den Gleichungen (1) und (3) ergibt sich jedoch, daß wn eine Funktion der Dichte g ist. Daher kann mit dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wandler die Dichte p des Fluids 12 auf der Basis der Impulsfrequenz des Signals 19a, welches von der Detektorschaltung 7 abgegeben wird, gemessen werden. Der in Fig. 1 dargestellte Wandler besitzt einen Vorteil dahingehend, daß die Dichte mit Hilfe der beschriebenen einfachen Vorrichtung gemessen werden kann. Die effektive Masse Mm des mechanischen Schwingungsteils 3 erhöht sich jedoch wegen der scheibenförmigen Ausbildung des piezoelektrischen Schwingers 2. Wie aus der Gleichung (3) ersichtlich ist, ergibt sich daraus die Schwierigkeit, daß die Empfindlichkeit beim Messen der Dichte gering ist. Die Empfindlichkeit kann durch Reduzierung der effektiven Masse des Oszillators erhöht werden. Zur Verringerung der effektiven Masse des Oszillators ist bei den in den Fig. 6A, 9A und 10A dargestellten Schwingungswandlern ein Oszillator mit einem in seinem Mittenbereich angeordneten Ring aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Material vorgesehen.

Ea ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die Dichtemessungen mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit gestattet, und bei der insbesondere nachteilige Temperaturflüsse auf die Genauigkeit der Messung vermieden sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator durch eine Übereinanderschichtung einer ersten und einer zweiten Schicht eines piezoelektrischen Substrats gebildet ist, wobei die erste Schicht an ihrem Umfang mit dem Gehäuse verbunden ist und dadurch mit dem Gehäuse die erste Kammer begrenzt, daß zwischen den einander direkt gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Substratschichten eine erste Elektrode als Zwischenlage und jeweils an der anderen Oberfläche der Substratschichten eine zweite und dritte Elektrode angeordnet ist, wobei entweder die zweite oder die dritte Elektrode über die Rückkopplungsschaltung mit dem Eingang des Verstärkers und dazu entsprechend entweder die dritte oder die zweite Elektrode mit dem Ausgang des Verstärkers verbindbar ist, daß die zweite Kammer parallel zur Oberfläche der zweiten Substratschicht keine Begrenzungswand aufweist, und daß das Ende eines Rohres mit der Eintrittsöffnung in die erste Kammer zur Bildung eines Helholtz-Resonators verbunden ist.

Eine an die Elektroden des zweiten Substrats gelegte Wechselspannung bewirkt, daß das zweite piezoelektrische Substrat in radialer Richtung expandiert und sich zusammenzieht. Bei Expansion und Kontraktion des zweiten piezoelektrischen Substrats wird das erste piezoelektrische Substrat, das an seinem Umfang festgelegt ist, gebogen. Hieraus ergibt sich, daß das erste piezoelektrische Substrat in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche schwingt. Wenn andererseits das erste piezoelektrische Substrat polarisiert wird, wird eine Wechselspannung entsprechend der Schwingung zwischen den Elektroden erzeugt. Die Phase der zwischen den Elektroden erzeugten Wechselspannung eilt einer Wechselspannung, die an das zweite piezoelektrische Substrat gelegt ist, um 90° voraus; bei einer mechanischen Resonanzfrequenz, die bestimmt ist durch den piezoelektrischen Schwinger, der aus dem ersten piezoelektrischen Substrat und dem zweiten piezoelektrischen Substrat sowie durch die zusätzliche Masse eines Mediums, das mit diesem piezoelektrischen Oszillator in Berührung kommt, zusammengesetzt ist. Folglich kann über eine positive Rückkopplungsschaltung zum zweiten piezoelektrischen Substrat eine positive Rückkopplung durch Kompensation der Phasenvoreilung bewirkt werden, wobei der piezoelektrische Oszillator, welcher aus dem ersten und dem zweiten Substrat gebildet ist, selbsterregte Schwingungen bei der Resonanzfrequenz ausführt.

Anhand der beiliegenden Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Schwingungswandlers nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Steuerschaltung und eines Schwingungswandlers, der Fig. 1;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für den Betrieb des Schwingungswandlers der Fig. 1;

Fig. 4 ein von der Fig. 3 abgeleitetes Ersatzschaltbild;

Fig. 5 ein von der Fig. 4 abgeleitetes Ersatzschaltbild;

Fig. 6A einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Schwingungswandlers;

Fig. 6B1 bis 6B3 Darstellungen eines in der Fig. 6A verwendeten Schwingers;

Fig. 7 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der Dichte eines Fluids und der Resonanzfrequenz der in den Fig. 1 und 6 dargestellten Schwingungssysteme wiedergibt;

Fig. 8A und 8B die Beziehung zwischen der Verschiebung des Bodenteils eines Schwingungsorgans und dem Außendurchmesser eines anhaftenden Schwingers und die Abmessungen des Wandlerschwingungsorgans und Schwingers;

Fig. 9A einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schwingungswandlers;

Fig. 9B1 und 9B2 die Ober- und Unterseite eines in der Fig. 9A vorhandenen Schwingers;

Fig. 10A und 10B Längsschnitte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Schwingungswandlers sowie der Draufsicht auf einen wesentlichen Teil davon;

Fig. 11 eine Darstellung des Schwingers, der im Schwingungswandler der Fig. 10 verwendet wird;

Fig. 12 eine Darstellung der Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem Versuch, welcher mit zwei verschiedenen Ausführungsformen des Schwingers durchgeführt wurde;

Fig. 13 eine Darstellung der Frequenzänderung nach der Zeit bei sich ändernder Temperatur für die gleichen beiden Schwinger, welche in der Fig. 12 verglichen sind;

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform für den in der Fig. 11 dargestellten Schwinger;

Fig. 15 ein Schwingungsorgan in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 16 einen Längsschnitt durch ein Schwingungsorgan des in der Fig. 15 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 17 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A der Fig. 16;

Fig. 18 eine Ansicht des Schwingungsorgans der Fig. 16 in Richtung eines Pfeiles B;

Fig. 19 eine schnittbildliche Darstellung einer Schwingungswandleranordnung, bei der ein Wandler, wie er in Fig. 16 dargestellt ist, verwendet wird;

Fig. 20 ein Schwingungsorgan gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 21 eine schnittbildliche Darstellung einer Schwingungswandleranordnung mit einem in der Fig. 20 dargestellten Wandler.

In der Fig. 6 (A) ist ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels für einen Schwingungswandler dargestellt. Im Vergleich zur Fig. 1 zeigt die Fig. 6 (A) eine Detektorschaltung 7, die außerhalb eines zweiten Hohlraums 10 angeordnet ist. Ein piezoelektrischer Schwinger entspricht dem in der Fig. 1 dargestellten piezoelektrischen Schwinger 2. Wie aus den Fig. 6 (B 1) bis 6 (B 3) ersichtlich ist, ist dieser piezoelektrische Schwinger ringförmig ausgebildet. Die Fig. 6 (B 1), 6 (B 2) und 6 (B 3) zeigen die Ansichten der Unterseite der Seitenfläche und der Oberseite eines Schwingers 20.

Wie die Fig. 6 (B 1) bis 6 (B 3) zeigen, setzt sich der Schwinger 20 zusammen aus: einem plattenförmigen Substrat 20a aus Keramik, beispielsweise einem PZT-System (Pb(Ti-Zr)O₃) in Ringform, wobei dieses Substrat 20a eine Dicke von etwa 0,05 mm bis 0,2 mm aufweist; einer ersten Elektrode 20b mit einer flachen Ringform, die an der Unterseite des Substrats 20a vorgesehen ist; einer zweiten Elektrode 20c, die an der Oberseite des Substrats 20a gebildet ist, wobei die zweite Elektrode 20c in einem Teil ihrer Oberfläche eine Ausnehmung aufweist; und einer dritten Elektrode 20d, die in der Ausnehmung auf der Oberfläche des Substrats 20a gebildet ist. Die Elektroden 20b und 20c sind konzentrisch zum Substrat 20a angeordnet.

Der Schwinger 20 ist am Bodenteil 1a eines Schwingungsorgans 1 in der Weise befestigt, daß die Elektrode 20b elektrisch mit der Innenfläche des Bodenteils 1a verbunden ist. Für die Befestigung wird bevorzugt ein leitfähiger Epoxydkleber verwendet, dem beispielsweise Silberpartikel zugemischt sind. In diesem Fall besteht das Schwingunsorgan 1 aus einer Legierung aus Eisen und Nickel und besitzt eine Dicke von 0,05 mm bis 0,1 mm. Diese Legierung besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher größenordnungsmäßig gleich dem des piezoelektrischen Schwingers 20 ist, so daß im Bodenteil 1a keine Verformungen erzeugt werden aufgrund eines Unterschieds des thermischen Ausdehnungskoeffizienten für das Schwingungsorgan 1 und den Schwinger 20. Ein mechanischer Schwingungsteil 21 ist zusammengesetzt aus dem piezoelektrischen Schwinger 20 und dem Schwingungsorgan 1.

Der piezoelektrische Schwinger 20 besitzt den in der Fig. 6 gezeigten Aufbau. Die Masse des mechanischen Schwingungsteils 21 ist geringer als die Masse des mechanischen Schwingungsteils 3 in der Fig. 1, welcher einen scheibenförmigen piezoelektrischen Schwinger 2 aufweist, der den gleichen Außendurchmesser hat und die gleiche Dicke wie der Schwinger 20. Aus der Gleichung (3) ergibt sich, daß die Resonanzfrequenz eines in der Fig. 6 dargestellten zusammengesetzten Schwingungssystems 22, das dem in Fig. 1 dargestellten zusammengesetzten Schwingungssystem 18 entspricht, höher ist als die des zusammengesetzten Schwingungssystems 18, bei welchem die Detektorschaltung 7 innerhalb des Hohlraumes 10 angeordnet ist. Aus der Gleichung (3) ergibt sich ferner, daß der eine Änderungsgrad der Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Schwingungssystems 22 gegenüber der Dichte g des zu messenden Fluids 12 größer ist als der des zusammengesetzten Schwingungssystems 18. Die Empfindlichkeit der Dichtemessung ist höher für den in Fig. 6 dargestellten Wandler als für den in Fig. 1 dargestellten Wandler.

Die Fig. 7 veranschaulicht in einer Kurvendarstellung Versuchsergebnisse, welche die oben beschriebenen Eigenschaften bestätigen. Die Fig. 7 zeigt eine Beziehung zwischen der Dichte g des Fluids 12 und der Resonanzfrequenz F des zusammengesetzten Schwingungssystems 18 und des zusamengesetzten Schwingungssystems 22. Die Frequenz F ändert sich in Abhängigkeit von der Dichte g. Mit H ist eine Kennlinie bezeichnet, welche sich bei Verwendung des piezoelektrischen Schwingers 20 ergibt, und mit I ist eine Kennlinie bezeichnet, wenn der piezoelektrische Schwinger 2 verwendet wird. Diese Kennlinien erhält man aus Versuchsergebnissen, bei denen alle Elementkonstanten der Schwingungssysteme 18 und 22 gleich sind, ausgenommen für die Formen der Schwinger 2 und 20. Aus der Fig. 7 ergibt sich für einen ringförmigen Schwinger, daß die Resonanzfrequenz F ansteigt, und die Empfindlichkeit bei der Messung der Dichte ebenfalls vergrößert wird.

In der Fig. 6 bewirkt die Antriebskraft, welche die Biegeschwingungen des Bodenteils 1a des Schwingungsorgans erzeugt, eine Expansion und eine Kontraktion in radialer Richtung des piezoelektrischen Schwingers 20. Die Antriebskräfte, welche am Bodenteil 1a angreifen, sind bei Verwendung des Schwingers 20 geringer als die Antriebskräfte, welche bei Verwendung des scheibenförmigen Schwingers 2 aufzuwenden sind. Hieraus ergibt sich, daß eine Schwingungsamplitude des Bodenteils 1a sich verringert. Andererseits ist die Biegesteifigkeit des Bodenteils 1a bei Verwendung eines ringförmigen Schwingers 20 geringer als bei einem scheibenförmigen Schwinger 2. Die Verringerung der Biegesteifigkeit bewirkt ein Anwachsen der Schwingungsamplitude des Bodenteils 1a. Die Fig. 8 (A) verdeutlicht Versuchsergebnisse, die auf diesen Zusammenhang gegründet sind. In der Fig. 8 (B) bezeichnet E einen Innendurchmesser des Schwingungsorgans 1, D einen Außendurchmesser des piezoelektrischen Schwingers 20 und 0,1 E bezeichnet eine Breite eines kreisrunden Rings des Schwingers 20. In der Fig. 8 (A) bezeichnet eine Kennlinie J eine Beziehung zwischen einer Auslenkung M im mittleren Bereich des Bodenteils 1a und dem Außendurchmesser D des Schwingers 20, wenn der Außendurchmesser D sich ändert. Eine Kennlinie K zeigt eine Beziehung zwischen dem Außendurchmesser D des Schwingers 2 und der Auslenkung N im mittleren Bereich des Bodenteils 1a bei Verwendung eines Schwingers 2 in der in der Fig. 6 dargestellten Wandleranordnung anstelle eines Schwingers 20. Wie aus der Fig. 8 (A) zu ersehen ist, erreicht im Falle der Verwendung eines ringförmigen Schwingers 20 die Auslenkung N den Maximalwert, wenn D = 0,5 E bis 0,7 E ist. Dieser Maximalwert ist im wesentlichen gleich oder etwas größer als der Maximalwert im Falle der Verwendung des scheibenförmigen Schwingers 2. Aus der Fig. 8 (A) ist ferner zu ersehen, daß bei Verwendung eines piezoelektrischen Schwingers in Ringform der Bodenteil 1a in der Amplitude sich nicht verringert, jedoch die Schwingungsamplitude des Bodenteils 1a größer ist als die im Falle der Verwendung des scheibenförmigen Schwingers.

In der Gleichung (3) hängt die Änderung in der Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Schwingungssystems 22, welches in Fig. 6 dargestellt ist, von der Federeigenschaft Cm des mechanischer Schwingungsteils 21 ab. Die Federeigenschaft Cm ist äquivalent zur Biegesteifigkeit im mechanischen Schwingungsteil 21, die in Abhängigkeit von den Abmessungen und Eigenschaften der einzelnen Komponenten des mechanischen Schwingungsteils 21 sowie der physikalischen Eigenschaften des Klebers zwischen dem Bodenteil 1a und dem Schwinger 20 sich ändert. Bei der Herstellung des mechanischen Schwingungsteils 21 in großen Stückzahlen ist es erforderlich, die Federeigenschaft Cm gleichförmig auszubilden durch Minimierung von Ungleichheiten in der Dicke des Klebers und von vorhandenen Luftblasen darin. In der Fig. 6 ist der Schwinger 20 ringförmig ausgebildet. Die Berührungsfläche des Schwingers 20 mit dem Bodenteil 1a des Schwingungsteils ist gering. Bei der Herstellung mehrerer mechanischer Schwingungsteile 21, d. h. bei der Herstellung einer großen Anzahl von Wandlern, ist es ohne weiteres machbar, Ungleichmäßigkeiten in der Dicke des Klebers und das Vorhandensein von Luftblasen darin zu verringern. Dies erleichtert die Erzielung einer Gleichförmigkeit für die Federeigenschaft Cm bei Verwendung des ringförmigen piezolelektrischen Schwingers 20, da die Berührungsfläche des Schwingers 20 mit dem Bodenteil 1a des Schwingungsorgans über das Klebemittel klein ist. Die Biegesteifigkeit des mechanischen Schwingungsteils 21 wird hauptsächlich bestimmt durch die Abmessungen und die Zusammensetzung des Schwingungsorgans 1, woraus sich eine Gleichförmigkeit der thermischen Eigenschaften des Wandlers ergibt.

Die Fig. 9 (A), 9 (B 1) und (B 2) zeigen Darstellungen zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen Wandler. Die Fig. 9 (A) ist ein Längsschnitt des Wandlers, die Fig. 9 (B 1) und 9 (B 2) sind Darstellungen der Oberseite und der Unterseite eines piezoelektrischen Schwingers 23, der in Fig. 9 (A) gezeigt ist. Die Fig. 9 (A) unterscheidet sich von der Fig. 6 (A) dadurch, daß ein zweiter piezoelektrischer Schwinger 23 fest mit dem Bodenteil 1a des Schwingungsorgans auf der Seite des Hohlraums 9 verbunden ist im Gegensatz zum piezoelektrischen Schwinger 20, der auf der Seite des Hohlraums 10 beim ersten Ausführungsbeispiel vorhanden ist.

Gemäß den Fig. 9 (B 1) und 9 (B 2) besteht der piezoelektrische Schwinger 23 aus: einem ringförmigen Substrat 23a, das aus dem gleichen piezoelektrischen Material gebildet ist, und das die gleichen Abmessungen aufweist wie das Substrat 20a des Schwingers 20; einer ersten ringförmigen Elektrode 23b in Form eines Films, die konzentrisch an der Unterseite des Substrats 23a gebildet ist; und einer zweiten ringförmigen Elektrode 23c in Form eines Films, die konzentrisch an der Oberseite des Substrats 23a gebildet ist. Die erste Elektrode 23b ist so am Bodenteil 1a des Schwingungsorgans befestigt, daß ein elektrischer Kontakt mit dem Bodenteil 1a hergestellt ist. Die zweite Elektrode 23c des piezoelektrischen Schwingers 23 ist über eine Verbindungsleitung 24 mit der zweiten Elektrode 20c des piezoelektrischen Schwingers 20 verbunden, wobei jedoch die Luftdichtigkeit zwischen den Hohlräumen 9 und 10 beibehalten wird.

Der in der Fig. 9 (A) gezeigte Wandler besitzt den oben beschriebenen Aufbau. Die Dichte kann daher mit hoher Empfindlichkeit, wie im Falle des in der Fig. 6 (A) dargestellten Wandlers gemessen werden. In der Fig. 9 (A) arbeiten der piezoelektrische Schwinger 20 und der piezoelektrische Schwinger 23 in der Weise zusammen, daß der Bodenteil 1a des Schwingungsorgans angetrieben wird. Folglich ist es möglich, diese Schwinger 20 und 23 bei niedrigeren Spannungen zu betreiben als den Schwinger 2 in der Fig. 6 (A). Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 (A) wird der Bodenteil 1a des Schwingungsorgans von beiden Seiten her durch die piezoelektrischen Schwinger 20 und 23 angetrieben. Auf diese Weise werden thermische Verformungen aufgrund eines Unterschieds des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bodenteil 1a und den Schwingern 20 und 23 vermieden. Die Gleichförmigkeit der thermischen Eigenschaften des Wandlers lassen sich daher verbessern.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann PZT-Keramik (Pb(Ti-Zr)O₃) als Material für das Substrat des piezoelektrischen Schwingers verwendet werden. Es kann jedoch auch als Substratmaterial monokristallines ZnO verwendet werden. Ferner kann ein magnetostriktives Material für das Substrat anstelle des piezoelektrischen Materials verwendet werden.

In der Fig. 10 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Wandler dargestellt. Die Fig. 10 (B) zeigt einen wesentlichen Teil der Schwingungswandleranordnung. Die Fig. 10 (A) ist ein Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil des dritten Ausführungsbeispiels. Die Fig. 11 zeigt den Aufbau eines in der Fig. 10 verwendeten Schwingers. Die Fig. 11 (A) ist eine Draufsicht auf den Schwinger und die Fig. 11 (B) ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie Y-Y in der Fig. 11 (A).

In den Fig. 10 und 11 besteht der Hauptunterschied gegenüber den in den Fig. 6 bis 9 dargestellten Schwingungswandlern darin, daß ein Schwinger 25 entsprechend dem piezoelektrischen Schwinger 20 vorgesehen ist zur Erzeugung der Biegeschwingungen im Bodenteil 1a des Schwingungsorgans. Der Schwinger 25 ist derart ausgebildet, daß sechs Teile aus verteilten piezoelektrischen Elementen 26, die in einer Kreisringform auf der Innenfläche des Bodenteils 1a des Schingungsorgans angeordnet sind, gebildet ist. Die Kreisringform ist konzentrisch zum Mittelpunkt der Bodenteilfläche. Jedes der piezoelektrischen Elemente 26 besteht aus einem kreisbogenförmigen Substrat 26a, aus piezoelektrischem Material und Elektroden 26b und 26c, welche an der Oberseite und an der Unterseite des Substrats gebildet sind.

Die Elekrode 26c ist jeweils über einen leitfähigen Kleber mit dem Bodenteil 1a des Schwingungsorgans verbunden, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode 26c und dem Bodenteil 1a gebildet wird. Eine Verbindungsleitung 27 dient zum Verbinden benachbarter Elektroden 26b des aufgeteilten Ringes der piezoelektrischen Schwingungselemente 26. Beim piezoelektrischen Schwinger 25 sind fünf Stücke der Elektroden 26b durch Verbindungsdrähte bzw. Verbindungsleitungen 27 miteinander verbunden, so daß sie das gleiche Potential aufweisen. Ferner sind sie über eine Verbindungsleitung 11a mit der Detektorschaltung 7 verbunden. Die verbleibende Elektrode ist über eine Verbindungsleitung 11b mit der Detektorschaltung 7 verbunden. Bei dem in der Fig. 10 dargestellten Wandler ist das Schwingungsorgan 1 über eine Verbindungsleitung 11c mit der Detektorschaltung 7 verbunden. Das piezoelektrische Material, aus welchem das piezoelektrische Substrat 26a gebildet ist, beinhaltet die Verwendung von piezoelektrischer Keramik aus Pb(Zr-Ti)O₃-System. Es kann jedoch auch eine ZnO-Keramik verwendet werden. Ein mechanischer Schwingungsteil 28 besteht aus dem piezoelektrischen Schwinger 25, den Verbindungsdrähten 27 und dem Schwingungsorgan 1.

Bei dem in der Fig. 10 dargestellten Schwingungswandler werden die Biegeschwingungen des Bodenteils 1a des Schwingungsorgans durch fünf getrennte Stücke der piezoelektrischen Elemente 26 erzeugt. Dies erfolgt im Unterschied zu der Anordnung der Fig. 6, bei welcher die Schwingungen durch einen ringförmigen piezoelektrischen Schwinger 20 hervorgerufen werden. Folglich sind die Kräfte aus thermischer Verformung beim mechanischen Schwingungsteil 28 ersichtlich geringer als die Kräfte aus thermischer Verformung, welche in ähnlicher Weise dei dem in Fig. 6 dargestellten mechanischen Schwingungsteil 21 zur Wirkung kommen. Die aus thermischer Deformation resultierenden Kräfte am mechanischen Schwingungsteil 28 werden durch einen Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den aufgespaltenen piezoelektrischen Elementen 26 und dem Bodenteil 1a des Schwingungsorgans und einer Temperaturänderung des zu messenden Fluids 12 erzeugt. Bei einem Aufbau des Schwingungswandlers gemäß der Fig. 10, 11 (A) und 11 (B) wird die im mechanischen Schwingungsteil 28 hervorgerufene thermische Deformation im Vergleich zu der bei der Ausführungsform der Fig. 6 gering. Folglich wird ein Fehler bei der Messung, welcher sich aufgrund von Temperaturschwankungen ergeben könnte, verringert.

Die Fig. 12 zeigt Versuchsergebnisse, welche an einer Vorrichtung R durchgeführt wurden, bei welcher der Hohlraum 9 des in der Fig. 6 dargestellten Wandlers durch Wegnehmen des Behälterbodens 4b und des Rohres 5 im offenen Zustand vorlag, sowie an einer Vorrichtung V, bei der der Hohlraum 9 des in der Fig. 10 dargestellten Wandlers in der gleichen Weise ausgebildet war. Die Darstellung der Fig. 12 ergibt sich durch Messung einer Frequenz F 20 der Biegeschwingungen der mechanischen Schwingungsteile 21 und 28, welche bei den Vorrichtungen R und V in Luft bei einer Temperatur von 20°C in Resonanz sind, und bei einer Frequenz Fg der Biegeschwingungen bei den gleichen Bedingungen, ausgenommen, daß die Temperatur t°C, d. h. veränderlich ist. Aus Fig. 12 ergibt sich, daß der Wandler, welcher die aufgespaltenen piezoelektrischen Schwingerelemente 26 verwendet, aufgrund von Temperaturänderungen einen geringeren Fehler aufweist als die anderen Wandlertypen, bei denen ein einzelner ringförmiger piezoelektrischer Schwinger verwendet wird. Die Versuche wurden unter Bedingungen durchgeführt, bei denen jede der Einrichtungen R und V so angeordnet war, daß der Innendurchmesser des Bodenteils 1a des Schwingungsorgans 24 mm und der Außendurchmesser des Schwingers 23 mm sowie der Innendurchmesser des Schwingers 18 mm betrugen.

Die Fig. 13 zeigt verschiedene Versuchsergebnisse bei den gleichen Vorrichtungen, an denen die Versuche der Fig. 12 durchgeführt wurden. Bei diesen Versuchen befanden sich die Einrichtungen R und V in Luft, welche über einen Zeitablauf hin Temperaturänderungen unterlagen, wie sie in der Fig. 13 dargestellt sind. Die durch Messung der Frequenzen der Biegeschwingungen erhaltenen Ergebnisse sind identisch mit denen in Fig. 12 an den in der Figuren gezeigten Punkten. F 20 und Ft, welche in der Fig. 13 dargestellt sind, sind die gleichen wie bei der Darstellung in der Fig. 12. Aus Fig. 13 ergibt sich ferner, daß bei der Verwendung der aufgespaltenen piezoelektrischen Schwingungselemente 26 der Temperaturfehler bei der Messung der Dichte und des Drucks gering sind.

Die Fig. 14 zeigt die Darstellung des Aufbaus eines Schwingers 28 als weiteres Ausführungsbeispiel. In der Fig. 14 (A) ist die Oberseite des Schwingers 18 dargestellt. Die Fig. 14 (B) zeigt die Seitenansicht. Der Schwinger 28 enthält ein ringförmiges piezoelektrisches Substrat 28a in Form einer Platte. Das Substrat 28a besitzt drei Sätze von Rinnen 29, die sich entlang von geraden Linien erstrecken und im Mittelpunkt des Substrats zusammenlaufen. Das Substrat 28a ist aus sechs dünnen Teilstücken 28a 1, erhalten durch die Einschnitte bei den Rinnen 29, und sechs dicken Teilstücken 26a 2, die jeweils an die dünnen Teilstücke grenzen, gebildet. Eine Elektrode 26b ist an jeder Oberseite der dicken Teilstücke 28a 2 und eine ringförmige Elektrode 28b ist an der Unterseite des Substrats 28a gebildet. Bei dem Schwinger 28 sind die dicken Teilstücke 28a 2 über die dünnen Teilstücke 28a 1 miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform sind die aufgrund von thermischer Deformation erzeugten Kräfte im mechanischen Schwingungsteil, der aus dem Schwinger 28 und dem Schwingungsorgan 1 besteht, größer als die Kräfte bei der Ausführungsform der Fig. 10, jedoch geringer als die Kräfte bei der Ausführungsform der Fig. 6. Hieraus resultiert, daß bei diesem Wandler, der aufgrund von Temperaturschwankungen sich ergebende Fehler geringer ist. Wenn der Schwinger 28 verwendet wird, sind die sechs dicken Teilstücke 28a 2 nicht voneinander getrennt, so daß die Herstellung dieses Wandlertyps einfach ist.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen, die in den Fig. 10 und 14 dargestellt sind, werden die Schwinger 26 und 28 durch ringförmige Anordnung von sechs Stücken aus geteilten piezoelektrischen Elemente, von denen jedes eine bogenförmige Gestalt aufweist, gebildet. Die benachbarten, aufgetrennten piezoelektrischen Schwingerelemente sind vollständig voneinander getrennt oder es sind diese Elemente über ein dünnes Verbindungsstück miteinander verbunden. Die Biegeschwingungen des Bodenstücks 1a der Schwingungsorgane werden von fünf Stück der getrennten piezoelektrischen Elemente hervorgerufen. Die Elektrode, welche auf dem verbleibenden einen Stück der sechs aufgeteilten piezoelektrischen Elemente verbleibt, dient der Erfassung der Spannung. Man ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl und Gestalt der aufgeteilten piezoelektrischen Elemente beschränkt. Die Anzahl der aufgeteilten piezoelektrischen Elemente für die Hervorrufung der Biegeschwingungen des Bodenteils 1a des Schwingungsorgans und der aufgeteilten piezoelektrischen Elemente, auf welchen die Elektroden zur Erfassung der Spannung gebildet sind, kann geändert werden. Die Gestalt der getrennten piezoelektrischen Elemente kann auch rechtwinklig sein.

Bei den in den Fig. 6, 9, 10 und 14 Schwingungswandlern ist die Masse des mechanischen Schwingungsteils, der aus der Schwingerplatte und dem piezoelektrischen Schwinger besteht, geringer als die des mechanischen Schwingungsteils beim herkömmlichen Wandler, bei welchem ein scheibenförmiger piezoelektrischer Schwinger verwendet wird. Daher wird die Empfindlichkeit bei der Messung der Dichte verbessert.

Insbesondere bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 10 und 14 sind die Kräfte thermischer Deformation am mechanischen Schwingungsteil, welche aufgrund eines Unterschieds beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten und von Temperaturänderungen des zu messenden Fluids resultieren, gering im Vergleich zu der Ausführungsform, bei welcher der Schwinger aus einem ringförmigen piezoelektrischen Element zusammengesetzt ist, selbst wenn ein Unterschied beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Schwingerplatte und den piezoelektrischen Elementen, die zum Schwinger kombiniert sind, vorhanden ist. Da der Anteil an thermischer Deformation beim mechanischen Schwingungsteil verringert ist, ergibt sich auch eine Verringerung des Fehlers, der aus Temperaturschwankungen resultiert.

In der Fig. 15 ist ein Schwingungsorgan nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Schwingungsorgan besteht aus einem piezoelektrischen Schwinger, welcher durch Übereinanderschichten eines ersten piezoelektrischen Substrats 31 auf ein zweites piezoelektrisches Substrat 32 gebildet ist. Am Umfang ist das erste piezoelektrische Substrat 31 an einem Befestigungsteil 53 befestigt. Eine Elektrode 37 befindet sich zwischen dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 und ist geerdet. Eine Elektrode 34 ist an der anderen Oberfläche des ersten piezoelektrischen Substrates 31 gebildet. An der anderen Oberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 ist eine Elektrode 46 vorgesehen.

Das erste piezoelektrische Substrat 31 besitzt eine Scheibe (oder eine elliptische Platte) mit einem großem Durchmesser, deren Umfang mit dem Befestigungsteil 3 fest verbunden ist. Das zweite piezoelektrische Substrat 32 besitzt eine Scheibe mit einem geringeren Durchmesser. Eine zwischen die Elektroden 37 und 46 gelegte Wechselspannung bewirkt, daß sich das zweite piezoelektrische Substrat 32 in radialer Richtung ausdehnt und zusammenzieht.

Der Umfangsteil des ersten piezoelektrischen Substrats 31 muß nicht notwendigerweise am gesamten Umfang festgelegt sein.

Die Wechselspannung, welche an die Elektroden 37 und 46 des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 mit Hilfe eines Verstärkers 51 gelegt wird, bewirkt, daß sich das zweite piezoelektrische Substrat 32 in radialer Richtung expandiert und zusammenzieht. Bei der Expansion und der Kontraktion des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 wird das erste piezoelektrische Substrat 31 gebogen, da sein Umfang festgelegt ist. Hieraus ergibt sich, daß das erste piezoelektrische Substrat 31 in Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche schwingt. Wenn andererseits das erste piezoelektrische Substrat 31 polarisiert wird, wird eine Wechselspannung entsprechend der Schwingung zwischen den Elektroden 37 und 34 erzeugt. Die Phase der zwischen den Elektroden 37 und 34 erzeugten Wechselspannung eilt zu einer Wechselspannung, die an das zweite piezoelektrische Substrat 32 gelegt ist, um 90° voraus bei einer mechanischen Resonanzfrequenz, die bestimmt ist durch den piezoelektrischen Schwinger, der zusammengesetzt ist aus dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 sowie durch die zusätzliche Masse eines Mediums, das mit diesem piezoelektrischen Schwinger in Berührung kommt. Folglich wird über eine positive Rückkopplungsschaltung 52 zum zweiten piezoelektrischen Substrat 32 eine positive Rückkopplung bewirkt durch Kompensation oben genannter Phasenvoreilung, wobei der piezoelektrische Schwinger, welcher aus dem ersten piezoeelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 gebildet ist, selbsterregte Schwingungen bei der Resonanzfrequenz ausführt.

Die Fig. 16 ist ein Schnittbild, welches ein Ausführungsbeispiel für ein in der Fig. 15 allgemein dargestelltes Schwingungsorgan zeigt. Die Fig. 17 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 16. Die Fig. 18 zeigt eine Draufsicht in Richtung eines Pfeiles B.

Ein erstes scheibenförmiges dünnes piezoelektrisches Substrat 31 ist aus einem piezoelektrischen Material gebildet, das eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweist. Auf der einen Oberfläche 31a des ersten piezoelektrischen Substrats 31 ist im wesentlichen konzentrisch eine Elektrode 34 gebildet. Die andere Oberfläche 31b des ersten piezoelektrischen Substrats 31 ist, wie aus Fig. 17 zu ersehen ist, versehen mit: einer Elektrode 45, die elektrisch über eine Durchgangsöffnung 35, welche in das erste piezoelektrische Substrat 31 eingeformt ist, mit der Elektrode 34 verbunden ist; einer Elektrode 36, die elektrisch von der Elektrode 45 isoliert ist; und einer Elektrode 37, die elektrisch von den Elektroden 45 und 36 isoliert ist, wobei diese Elektrode 37 so ausgebildet ist, daß sie fast die gesamte Oberfläche auf der anderen Oberflächenseite 31b des ersten piezoelektrischen Substrats 31 bedeckt.

Ein scheibenförmiges dünnes zweites piezoelektrisches Substrat 32 ist aus piezoelektrischem Material, welches eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweist, gebildet und in Schichtanordnung an der Elektrode 37 gebunden. Das zweite piezoelektrische Substrat 32 ist aus dem gleichen Material gebildet wie das erste piezoelektrische Substrat 31. Ein ringförmiger Abstandhalter 33 ist mit der Elektrode 37 verbunden und umfaßt das zweite piezoelektrische Substrat 32. Eine Elektrode 46 ist über eine Durchgangsöffnung 38 mit der Elektrode 36 verbunden, wobei diese Elektrode 46 im wesentlichen konzentrisch auf der einen Oberfläche 32a des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 gebildet ist.

Der ringförmige Abstandhalter 33 ist aus dem gleichen Material gebildet wie das zweite piezoelektrische Substrat 32. Ferner besitzt der Abstandhalter die gleiche Dicke wie dieses Substrat 32. Eine Oberfläche 33a des Abstandhalters 33 ist mit einer Elektrode 47 versehen, die über eine Durchgangsöffnung 39 mit der Elektrode 36 verbunden ist, und ferner mit einer Elektrode 48 versehen, welche über eine Durchgangsöffnung 40 mit einer Elektrode 45 verbunden ist. Eine Elektrode 49 ist über eine Durchgangsöffnung 41 mit der Elektrode 37 verbunden und befindet sich auf der Oberfläche 33a, getrennt von den Elektroden 47 und 48. Die Dreischichtanordnung besteht aus der Elektrode 34, welche auf der Oberfläche 31a des ersten piezoelektrischen Substrats 31 gebildet ist, der Elektrode 37, die auf der anderen Oberflächenseite 31b des ersten piezoelektrischen Substrate 31 gebildet ist, und der Elektrode 46, die auf der Oberfläche 32a des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 gebildet ist. Diese Elektroden sind einzeln über Durchgangsöffnungen 35, 40, 38 und 41 mit einer Oberfläche des ringförmigen Abstandhalters 33 verbunden.

Ein piezoelektrischer Schwinger 42 setzt sich zusammen aus dem ersten piezoelektrischen Substrat 31, dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 und dem Abstandhalter 33. Die Technologie der Herstellung eines keramischen mehrschichtigen Verdrahtungssubstrats kann bei der Herstellung des oben beschriebenen piezoelektrischen Schwingers 42 zur Anwendung kommen, insbesondere können die Elektrodenmuster durch Rasterdruck an den einzelnen Oberflächen 31a, 31b, 32a und 33a des ersten piezoelektrischen Substrats 31, des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 und des Abstandhalters 33 gebildet werden. Diese lassen sich durch dünne, neu entwickelte Filme formen. Nachdem die Muster entsprechend in den gewünschten Formen ausgestanzt sind, können sie beschichtet werden.

Das Sintern der Kermaik und das Einbrennen der Elektroden werden gleichzeitig durchgeführt. Anschließend wird die mechanische Verbindung zwischen dem ersten piezoelektrischen Substrat 31, dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 und dem Abstandhalter 33 sowie die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden gleichzeitig durchgeführt. Gleichstromfelder werden an die Elektroden 34 und 37 und die Elektroden 36 und 37 des durch Verbundtechnik hergestellten Schwingers 42 angelegt. Auf diese Weise erzielt man einen sogenannten Polarisierungsvorgang. Hierbei ergibt sich, daß das erste piezoelektrische Substrat 31 und das zweite piezoelektrische Substrat 32 mit piezoelektrischen Eigenschaften ausgestattet werden. Der Abstandhalter 33 ist jedoch nicht polarisiert wegen des Vorhandenseins der Elektroden 37 und 49, welche auf der Oberseite und der Unterseite des Abstandhalters vorgesehen sind, und welche über die Durchgangsöffnung 41 leitend sind.

Die Fig. 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schwingungswandlers nach der Erfindung, bei welchem der in den Fig. 16 bis 18 gezeigte piezoelektrische Schwinger zum Einsatz kommt. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 19 dient ein Gehäuse 43 zur Aufnahme des Schwingers 42. Das Gehäuse 43 ist aus einer Ni-Fe-Legierung geformt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient annähernd gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials ist, aus welchem der Schwinger 42 hergestellt ist. Das Gehäuse 43, welches den Schwinger 42 aufnimmt, weist einen gestuften Teil 43a auf, der elektrisch an eine Elektrode 49, die auf dem Abstandhalter 33 vorgesehen ist, durch Löten oder andere Verbindungsmittel, wie beispielsweise einen leitfähigen Kleber, elektrisch angeschlossen ist.

Das Gehäuse 43 ist mit Öffnungen 53 und 54 versehen, deren Lage den Orten der Elektroden 47 und 48 entspricht. Das Gehäuse ist jedoch von den Elektroden isoliert. Die Tiefe des gestuften Teils 43a ist etwas größer als die Dicke h des Schwingers 42, so daß der Schwinger 42 nicht übersteht. Leiter 55 und 56 sind mit den Elektroden 47 und 48 verbunden.

Ein Behälter 4 besitzt ein Bodenstück 4b, an dessen Außenseite das eine Ende eines Rohres 5 befestigt ist. Das Bodenstück 4b ist mit einer Durchgangsöffnung 4c ausgestattet, das mit dem Innern des Rohres 5 in Verbindung steht. Eine Oberfläche 4e ist hermetisch dicht mit einer Endfläche des Gehäuses 43 verbunden. Ein schnmaler Luftspalt ist zwischen der Elektrode 34 des Schwingers 42 und der Oberfläche 4e vorgesehen. Der Behälter 4 ist aus dem gleichen Material gebildet wie das Gehäuse 43. Der Behälter 4, ein Hohlraum 9, welcher zwischen dem Bodenteil 4b und dem piezoelektrischen Schwinger 42 gebildet ist, sowie ein im Rohr 5 befindliches Medium wirken zusammen und bilden ein akustisches Schwingungssystem. Die Anordnung ist so, daß nur die Masse des Mediums innerhalb des Rohres 5 als zusätzliche Masse zum Schwinger 42 wirkt zur ausreichenden Erhöhung einer Federkonstanten des Mediums im Hohlraum 9.

Ein Verstärker 51 dient zum Anlegen einer Wechselspannung an das zweite piezoelektrische Substrat 32 über die Elektroden 47, 36 und 46. Eine Rückkopplungsschaltung 52 ermöglicht es, daß eine Spannung, welche im ersten piezoelektrischen Substrat 31 erzeugt wird, positiv an den Verstärker 51 rückgekoppelt wird nach Erfassung der Spannung durch die Elektroden 34, 45 und 48.

Das zweite piezoelektrische Substrat 32 ist, wie oben erläutert, so angeordnet, daß es sich in radialer Richtung ausdehnen und zusammenziehen kann, wenn eine Wechselspannung an die Elektroden 37 und 46 gelegt wird. Wenn die Expansion und Kontraktion des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 stattfindet, biegt sich das erste piezoelektrische Substrat 31, wobei das erste piezoelektrische Substrat 31 in Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche schwingt. Wie oben schon erläutert, ist das erste piezoelektrische Substrat 31 polarisiert und eine Spannung, welche der Schwingung entspricht, wird an den Elektroden 37 und 34 erzeugt. Die Phase dieser Wechselspannung eilt der Wechselspannung, welche an den zweiten piezoelektrischen Schwinger 42 gelegt ist, um 90° voraus. Dieser zweite piezoelektrische Schwinger besteht aus dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 sowie aus der zusätzlichen Masse des Mediums im Rohr 5. Da die positive Rückkopplung zum zweiten piezoelektrischen Substrat 32 die oben bezeichnete Phasenvoreilung kompensiert, schwingt der piezoelektrische Schwinger 42 bei Resonanzfrequenz. Es ist daher möglich, die zusätzliche Masse des Mediums, d. h. die Dichte (oder den Druck) durch Messung dieser Frequenz in einer Detektorschaltung 50 zu ermitteln.

Bei diesem Schwingungswandler wird das erste piezoelektrische Substrat 31 des Schwingers 42 aus dem gleichen Material gebildet wie das piezoelektrische Substrat 32. Ferner wird das erste piezoelektrische Substrat unter den gleichen Bedingungen polarisiert. Folglich läßt sich der Fehler, welcher aufgrund thermischer Expansion zwischen dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 über einen breiten Temperaturbereich ergeben könnte, beseitigt. Ferner ist es möglich, eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingers 42 aufgrund des Unterschieds in der thermischen Ausdehnung zwischen den beiden Substraten zu verhindern. Darüber hinaus können Dichtemessungen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Die Elektrode zum Anlegen der Wechselspannung an das piezoelektrische Substrat 32, die Elektrode zur Erfassung der Schwingungen des piezoelektrischen Substrats 31 und die Leitungsteile können in Schaltungsrastertechnik gebildet werden. Die Anschlußdrähte erstrecken sich von einer Oberfläche weg und der Umfang des Schwingers 42 ist als festgelegter Teil definiert. Die Anschlußdrähte können jeweils durch Durchgangsöffnungen an entsprechende Schaltungen angeschlossen werden.

Mit diesem Schwingungswandler werden daher zusätzliche Vorteile erzielt, da elektrische Verbindungen einfach hergestellt werden können, wobei die elektrischen Verbindungsleitungen frei von Schwingungsbeanspruchungen sind.

Aus der Fig. 20 ist ein Schwingungsorgan zu ersehen, das bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann. Dieses Schwingungsorgan ist zusammengesetzt aus einem piezoelektrischen Schwinger, welcher durch Verbundschichten des ersten piezoelektrischen Substrats 31 auf dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 gebildet wird. Der Umfangsbereich einer Oberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats 31 ist an einem Befestigungsteil 53 befestigt. Eine Elektrode 37 ist zwischen dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 vorgesehen, wobei die Elektrode 37 geerdet ist. Eine Elektrode 34 ist an der anderen Oberflächenseite des ersten piezoelektrischen Substrats gebildet und eine Elektrode 46 ist an der anderen Oberflächenseite des zweiten piezoelektrischen Substrats 32 gebildet. Bei dieser Ausführungsform besteht das erste piezoelektrische Substrat 31 aus einer Scheibe (bzw. elliptischen Platte) mit einem größeren Durchmesser und der Umfangsbereich einer Oberfläche des Substrats ist am Befestigungsteil 53 fixiert. Das zweite piezoelektrische Substrat 32 ist zusammengesetzt aus einer Scheibe mit geringerem Durchmesser. Beim Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Elektroden 37 und 34 dehnt sich das erste piezoelektrische Substrat 31 in radialer Richtung aus und zieht sich zusammen. Es ist nicht erforderlich, daß die Fixierung des ersten piezoelektrischen Substrats 31 am gesamten Umfang erfolgt.

Wenn die Wechselspannung mittels des Verstärkers 51 an die Elektroden 37 und 34 des ersten piezoelektrischen Substrats 31 gelegt wird, wirken expandierende und zusammenziehende Kräfte in radialer Richtung, da der Umfang an der einen Oberflächenseite des Substrats 31 festgelegt ist, hängt das Ausmaß der Biegung von den expandierenden und zusammenziehenden Kräften und von der Oberfläche, welche entlang dem Umfang fixiert ist, ab. Die resultierende Schwingung des piezoelektrischen Substrats 32 erzeugt an den Elektroden 37 und 46 eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung eilt der an das zweite piezoelektrische Substrat 32 angelegten Wechselspannung um die Phase 90° voraus, wobei die mechanische Resonanzfrequenz bestimmt ist durch den piezoelektrischen Schwinger, der aus dem ersten und zweiten piezoelektrischen Substrat 31 und 32 besteht. Die Masse des Mediums, die mit dem piezoelektrischen Schwinger in Berührung steht, kommt noch hinzu. Eine positive Rückkopplung über eine positive Rückkopplungsschaltung 52 an das erste piezoelektrische Substrat 31 kompensiert die vorhergehende Phasenvoreilung, wobei der piezoelektrische Schwinger, bestehend aus dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32 Schwingungen ausführt bei der Resonanzfrequenz.

In der Fig. 20 sind die wesentlichen Bauteile eines piezoelektrischen Schwingers dargestellt. Der piezoelektrische Schwinger kann den gleichen Aufbau besitzen wie der piezoelektrische Schwinger, der in der Fig. 18 dargestellt ist, wobei jedoch ein unterschiedlicher Betrieb zur Anwendung kommt. Die Fig. 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches nach dem Grundprinzip der Fig. 20 arbeitet, wobei der in den Fig. 16 bis 18 dargestellte piezoelektrische Schwinger zum Einsatz kommt.

In der Fig. 21 besitzen die Bauteile, welche den Bauteilen der Fig. 19 entsprechen und die gleichen Bezugsziffern haben, die gleichen Funktionen. In der Fig. 21 arbeitet beim Anlegen der Wechselspannung an die Elektroden 37 und 34 mit Hilfe des Verstärkers 51 die erste Expansion und das Zusammenziehen der Plattendicke des ersten Substrats gegen die Fixierungsteil des piezoelektrischen Substrats 31. Dabei werden Schwingungen in Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche erzeugt. Das zweite piezoelektrische Substrat 32 ist ebenfalls, wie im vorherigen Fall, polarisiert. Demzufolge wird eine Wechselspannung entsprechend der vorgehenden Schwingung zwischen den Elektroden 37 und 46 erzeugt. Die Phase der Wechselspannung, welche vom Substrat 32 erzeugt wird, eilt der Wechselspannung, welche an das piezoelektrische Substrat 32 angelegt wird, um 90° bei einer mechanischen Resonanzfrequenz voraus, die durch den piezoelektrischen Schwinger 42 bestimmt ist, der sich zusammensetzt aus dem ersten piezoelektrischen Substrat 31 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 32, wobei die Masse des Mediums im Rohr 5 noch hinzukommt. Eine positive Rückkopplung über eine Rückkopplungsschaltung 52 an das zweite piezoelektrische Substrat 32 kompensiert die oben genannte Phasenvoreilung, wodurch erreicht wird, daß der piezoelektrische Schwinger 42 bei Resonanzfrequenz schwingt. Es ist daher möglich, die zusätzliche Masse des Mediums, d. h. die Dichte (bzw. den Druck) durch Messung der Frequenz mit der Detektorschaltung 50 zu ermitteln.

Bei den Ausführungsformen, die in den Fig. 19 und 21 dargestellt sind, kann die Expansion des ersten piezoelektrischen Substrats im wesentlichen an die des zweiten piezoelektrischen Substrats angeglichen werden, so daß es möglich ist, Änderungen der Resonanzfrequenz des Schwingers, die einer thermischen Deformation aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen zurückzuführen ist, zu vermeiden.

Bei diesen Ausführungsformen sind die Elektroden der zweischichtigen piezoelektrischen Substrate, die Elektrode zum Anlegen der Spannung an die vorherige Elektrode und die Zuleitungselektrode zum Zuführen der Spannung außerhalb dieser Elektrode über Durchgangsbohrungen geführt, die in den piezoelektrischen Substraten an einer Oberfläche eines der beiden piezoelektrischen Substrate gebildet sind, und ferner am Umfang, der durch den Fixierungsteil des Schwingers definiert ist. Diese Anordnung steht im Widerspruch zu der herkömmlichen Bauweise, bei welcher eine Verbindung mit der Schaltung dadurch hergestellt wird, daß die Zuführungsdrähte direkt von den schwingenden Teilen weggeführt sind. Es werden daher folgende Wirkungen erzielt. Es ergibt sich bei der Erfindung keine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingers infolge der Masse der Zuführungsdrähte und durch deren Resonanz. Ferner können die Herstellungskosten verringert werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung für die Bestimmung der Dichte in Flüssigkeiten, mit einem innerhalb eines Gehäuses (43) angeordneten, im wesentlichen scheibenartigen Oszillator (42), durch den unter Bildung einer flüssigkeitsdichten Trennwand der Gehäuseinnenraum in eine erste (9) und eine zweite Kammer unterteilt ist, wobei die Kammern jeweils wenigstens eine Öffnung (4c) für den Eintritt der Meßflüssigkeit aufweisen und der Oszillator einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandler für die Erregung des von dem Oszillator und der Meßflüssigkeit in den Kammern gebildeten Schwingungssystems sowie für die Erzeugung eines Rückkopplungssignals, das zur Selbsterregung des Schwingungssystems über eine Rückkopplungsschaltung (52) einem Verstärker (51) für die Versorgung des Wandlers mit einem Wechselfeld zugeführt ist, enthält, und mit einer Einrichtung (50) zur Messung der sich unter Selbsterregung einstellenden Resonanzfrequenz des Schwingungssystems als von der Dichte der Flüssigkeit abhängigem Meßsignal, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (42) durch eine Übereinanderschichtung einer ersten (31) und einer zweiten (32) Schicht eines piezoelektrischen Substrats gebildet ist, wobei die erste Schicht an ihrem Umfang mit dem Gehäuse (43) verbunden ist und dadurch mit dem Gehäuse (43) die erste Kammer (9) begrenzt, daß zwischen den einander direkt gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Substratschichten eine erste Elektrode (37) als Zwischenlage und jeweils an der anderen Oberfläche der Substratschichten eine zweite (34) und dritte (46) Elektrode angeordnet ist, wobei entweder die zweite oder die dritte Elektrode über die Rückkopplungsschaltung (52) mit dem Eingang des Verstärkers (51) und dazu entsprechend entweder die dritte oder die zweite Elektrode mit dem Ausgang des Verstärkers verbindbar ist, daß die zweite Kammer parallel zur Oberfläche der zweiten Substratschicht (32) keine Begrenzungswand aufweist, und daß das Ende eines Rohres (5) mit der Eintrittsöffnung (4c) in die erste Kammer zur Bildung eines Helmholtz-Resonators verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Substratschichten (31, 32) als zueinander konzentrisch übereinandergeschaltete Kreisscheiben ausgebildet sind, wobei die erste Scheibe (31) einen größeren Durchmesser als die zweite Scheibe (32) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Substratschicht (31) über einen Ring (33) aus dem gleichen Material als Abstandhalter mit dem Gehäuse (43) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (33) und die erste Elektrode (37) Ausnehmungen für Elektrodenzuleitungen (41, 47, 48; 36, 45) aufweisen (Fig. 16 bis 19, 21).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausschaltung einer Einflußnahme von Elektrodenanschlüssen auf die zu messende Resonanzfrequenz innerhalb des Gehäuses (43) Öffnungen (54, 55) ausgebildet sind, deren Lagen den Ort der Elektrodenzuleitungen (48, 47) entsprechen, daß durch die Öffnungen an den Elektrodenzuleitungen (48, 47) angeschlossene Leiter (56, 55) herausgeführt sind (Fig. 19, 21) und daß die Leiter (56, 55) vom Gehäuse (43) durch einen Abstand getrennt sind.