DE4203715C2 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter - Google Patents
Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem BehälterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwa
chung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter, mit zwei koaxial
zueinander angeordneten Schwingungselementen, die in den das hinsichtlich
seines Füllstands zu überwachende Füllmittel enthaltenden Behälter hinein
ragen und von denen eines an einer Membran angebracht ist, die durch eine
Piezoelementanordnung periodisch verformbar ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus DE 30 11 603 C2 bekannt. Diese Vor
richtung hat den Vorteil, daß das äußere Schwingungselement das innere
Schwingungselement vollständig umfassen kann, so daß eine das Schwin
gungsverhalten verfälschende Ablagerung von Füllmittel,Staubteilchen oder
dergleichen zwischen den Schwingungselementen unterbunden werden kann.
Weiterhin kann das nicht an der Membran angebrachte innere Schwingungs
element gegenphasige Ausgleichsschwingungen zum äußeren Schwingungs
element ausführen, so daß die Rückkopplung von Schwingungsenergie auf
den Füllmittelbehälter minimiert ist. Bei der bekannten Vorrichtung wird die
seitliche Auslenkung des äußeren, rohrförmigen Schwingungselements durch
konvexe/konkave Verformung der Membran mit Hilfe von auf die Membran
aufgeklebten, sich radial ausdehnenden Piezoscheiben erreicht.
Die Funktion und der erzielbare Wirkungsgrad hängen hierbei aber in erster
Linie von der Scherkraftübertragung des Klebers ab. Der maximal erzielbare
Wirkungsgrad ist hierdurch begrenzt, außerdem ist eine durch einschlägige
Vorschriften erforderliche Potentialfreiheit nicht gegeben.
Weiterhin ist aus der DE 33 36 991 C2 eine Vorrichtung zur Grenzstand
erfassung bekannt, die mit zwei im wesentlichen parallelen, beabstandeten
paddelförmigen Schwingungselementen arbeitet, die in den Behälter eintau
chen. Hierbei besteht allerdings die Gefahr, daß sich Teilchen wie etwa
Füllmittel zwischen den Schwingungselementen ablagern können und deren
Schwingungsverhalten verfälschen, so daß die Meßgenauigkeit leidet. Der
Antrieb erfolgt über eine Piezoelementanordnung, die direkt an einer die
Schwingungselemente starr tragenden Membran angreift und auf ihrer ande
ren Seite über ein brückenförmiges Joch abgestützt ist. Die hierbei geoffen
barte Antriebsart der Krafteinleitung im Zentrum der Membran ist konstruktiv
bedingt bei Füllstands-Detektions-Vorrichtungen mit zwei koaxial zueinander
angeordneten Schwingungselementen nicht anwendbar.
Des weiteren ist aus DE 37 34 077 A1 ein Füllstandsensor mit
nur einem einzigen Vibrationsstab bekannt. Der Vibrations
stab wird von einer Membran an der stirnseitigen Öffnung
eines Rohres gehalten. Auf dem hinteren Ende des Vibrations
stabes sitzt ein als Aufnehmer dienendes piezoelektrisches
Element und ein als Antrieb wirkendes piezoelektrisches
Element auf. Die dort beschriebene Membran dient nicht zum
Ein- bzw. Auskoppeln der Schwingbewegung des Vibrationssta
bes, sondern hat lediglich eine Haltefunktion für den Vibra
tionsstab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Feststellung
und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter zu
schaffen, die sich durch guten Wirkungsgrad auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Piezoelementanordnung somit
nicht direkt an der Membran angebracht, sondern wirkt vielmehr indirekt über
eine Wippe auf die Membran ein. Die Piezoelementanordnung muß somit nicht
mit der Membran verklebt werden, was hinsichtlich des erforderlichen Be
arbeitungsaufwandes und des Fortfalls von Scherbeanspruchsverlusten in der
Klebeschicht vorteilhaft ist. Ferner kann die Antriebskraft für die Membran
erregung nun senkrecht zur Membranebene auf die Membran eingeleitet
werden, so daß sich - im Vergleich zu radial wirkenden, auf die Membran
aufgeklebten Piezoelementen - höhere Kräfte aufbringen lassen. Über die
Wippenanordnung kann zugleich auch noch eine Hebelarmübersetzung in
einfacher Weise erzielt werden, so daß der Hub der Piezoelementanordnung
in einen entsprechend vergrößerten Membranbewegungshub umsetzbar ist.
Die Piezoelementanordnung muß sich ferner nicht länger in direkter mechani
scher Berührung mit der Membran befinden, so daß die Piezoelementanord
nung - abgesehen von der Kopplung über die Wippe - nicht in direktem
Schwingungskontakt mit der Membran steht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat weiterhin die Vorteile, daß ein potenti
alfreier Aufbau möglich ist und das Antriebselement, das heißt die Piezoele
mentanordnung, in einfacher Weise auswechselbar ist. Weiterhin ist kein
Klebvorgang erforderlich, sondern die Membranerregung kann durch unter
Presskraft gehaltene Piezoelemente eingeleitet werden. Dadurch ist die erfin
dungsgemäße Vorrichtung unempfindlich gegen Beschädigung von Piezoele
menten infolge mechanische Belastung des Stabes beziehungsweise des
äußeren Schwingungselementes. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung durch verbesserten Wirkungsgrad aus, so daß mit kleineren
Antriebsspannungen gearbeitet werden kann. Die Leistungsaufnahme ist ent
sprechend gering.
Vorzugsweise wird die Wippe in ihrer Drehachse über einen Bolzen gehalten,
so daß sie definierte Schwenkbewegungen ausführt und auch höheren Be
anspruchungen zuverlässig standhalten kann. Wenn dieser Bolzen achspar
allel, vorzugsweise koaxial, zur Schwingungselementachse montiert ist, ergibt
sich der zusätzliche Vorteil, daß der Einbau der Wippe in axialer Richtung
erfolgen kann und keine Querbohrungen oder seitlichen Halterungen für die
Wippenachse erforderlich sind. Der Halterungsbolzen verläuft in diesem Fall in
der Wippen-Schwenkebene. Eine zuverlässige Halterung und stabile Einleitung
der auf die Wippe wirkenden Kräfte in das Vorrichtungsgehäuse läßt sich
durch Einschraubung des Bolzens in ein gehäusefestes Zwischenstück erzie
len, wobei sich der zusätzliche Vorteil einfacher Montage ergibt.
Vorzugsweise ist die Wippe über zumindest einen Bolzen mit der Membran
gekoppelt, der die bei der Wippenbewegung auftretenden Zugkräfte stabil und
ohne Kraftverlust auf die Membran einleiten kann. Hierbei ist es von Vorteil,
wenn der Bolzen direkt an der Membran befestigt ist, da dann unterbre
chungsfreier Kraftschluß zwischen Bolzen und Membran gewährleistet wird
und auch sichergestellt ist, daß sich die Position des Bolzens auf der Membran
nicht verschieben kann, was zu geänderten Hebelübersetzungen und damit zu
veränderten Schwingungsamplituden führen könnte. Vorzugsweise wird der
zumindest eine Bolzen angeschweißt und bildet somit eine einheitlich mit der
Membran handhabbare Einheit.
Sehr günstige Übertragungsverhältnisse ergeben sich, wenn das oder die
Kraftübertragungselemente zwischen Wippe und Membran in einem zwischen
der gehäusefestgehaltenen Membranaußenseite und der mit dem äußeren
Schwingungselement verbundenen radial innenliegenden Membranseite
befindlichen Membranabschnitt angreifen. Hierdurch ergibt sich zusätzlich zu
der über die Wippe erzielbaren Übersetzung eine weitere Übersetzung, so daß
der relativ geringe Hub der Piezoelementanordnung in einen verhältnismäßig
großen Schwingungshub übersetzbar ist.
Vorzugsweise sind die Bolzen als Gewindebolzen ausgebildet, so daß eine
sehr einfache, stabile Montage der Vorrichtung durch Verbindung der Bolzen
mit Befestigungsschrauben und/oder Befestigungsmuttern stattfinden kann.
Über die Schrauben und/oder Muttern kann dabei zugleich auch die Vorspan
nung der Piezoelementanordnung und/oder der Membran eingestellt werden.
Von Vorteil ist es, in der Wippe Durchgangsbohrungen für die Bolzen vor
zusehen, deren Durchmesser deutlich größer als der Bolzendurchmesser ist.
Hierdurch wird erreicht, daß die Innenseiten der Durchgangsbohrungen der
Wippe bei ihren betriebsmäßigen Kippbewegungen nicht in Berührung mit den
Bolzen gelangen, so daß die Kippbewegungen nicht behindert werden. Hier
durch werden Reibungsverluste verhindert, wodurch sich der Wirkungsgrad
noch weiter verbessert.
Die Ausgestaltung der Piezoelementanordnung als (zumindest eine) Piezosäule
erlaubt die Stapelung mehrerer Piezoelemente und somit die Erzielung ver
größerten Hubs und vergrößerter Kräfte. Die achsparallele Anordnung zwi
schen der Wippen-Drehachse und dem mit der Membran gekoppelten Wippen
abschnitt ermöglicht die Erzielung einer Hub-Übersetzung, so daß die in axialer
Richtung erfolgenden Schwingungen der Piezosäule zu einer entsprechend
vergrößerten Auslenkung der Membran führen.
Die zumindest eine Piezosäule liegt dabei mit einem Ende an einem gehäusefe
sten Zwischenstück an, das vorzugsweise so stabil ausgelegt ist, daß die
Schwingungen der Piezosäule weitaus überwiegend auf die Membran ange
koppelt werden. Hierdurch kann ein direkter Kontakt der Piezoelementanord
nung mit der Membran vermieden werden, so daß in der Membran weder
Ausnehmungen für die Aufnahme der Piezosäule oder sonstige Sicherungen
gegenüber einem Verrutschen der Piezosäule ergriffen werden müssen.
Über die vorzugsweise aus Metall bestehenden Endstücke der Piezosäule läßt
sich der Flächendruck gezielt verteilen, wobei durch die oberseitige Abrun
dung auch eine definierte Auflage an den die Piezosäule bzw. Piezosäulen
einspannenden Elementen sichergestellt ist.
Durch die Einfügung von Isolierscheiben zwischen den Endstücken und den
Piezoelementen läßt sich eine elektrische Isolation erreichen, so daß die
Piezosäulen nach außen hin potentialfrei sind. Damit muß weder über das
Zwischenstück noch über die Wippe elektrisches Potential geführt werden,
wodurch einschlägige Vorschriften hinsichtlich Potentialfreiheit erfüllt werden.
Vorzugsweise sind die Wippe und das Zwischenstück mit Vertiefungen für die
Aufnahme der zumindest einen Piezosäule versehen, so daß diese definiert
gehalten ist und sich auch bei Kippbewegungen der Wippe nicht verlagern
kann. So ist es bei eventuell gewünschter Verringerung der Vorspannung der
Piezosäule folglich gleichwohl sichergestellt, daß die Piezosäule beziehungs
weise Piezosäulen nicht aus ihrer Soll-Lage herauswandern können.
Um den Platzbedarf und den konstruktiven Aufwand zu verringern, kann die
Wippe als einarmige Wippe ausgebildet werden, die dann nur an einer Stelle
auf die Membran einwirkt.
Höhere Schwingungsamplituden lassen sich dadurch erreichen, daß die Wippe
als zweiarmige Wippe ausgebildet wird, die durch zwei Piezosäulen im Wech
seltakt beaufschlagt wird. In diesem Fall kann eine der Piezosäulen vollständig
für den Antrieb dienen und damit einen größeren und kräftigen Hub bewirken,
während die andere Piezosäule mit zumindest einem Detektorpiezoelement für
die Erfassung der Schwingungsamplituden ausgestattet sein kann.
Bei Einsatz der zweiarmigen Wippe hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
die beiden bolzenförmigen Kraftübertragungselemente zwischen der Wippe
und der Membran diametral an der Membran anzubringen, so daß diese eine
möglichst reine, großhubige Kippbewegung ausübt.
Um möglichst reine Membran-Kippschwingungen zu erreichen und zu ver
meiden, daß die Membran durch die an ihr angreifenden Bolzen insgesamt
nach oben gezogen wird, kann die Membran vorzugsweise durch Abstützun
gen gesichert sein, die entlang einer quer zur Wippenlängsachse verlaufenden
Linie an der Membran angreifen. Die Abstützungen definieren somit eine im
wesentlichen stationäre Membran-Kippachse.
Die Abstützungen können vorzugsweise durch Stützschrauben gebildet sein,
die in das gehäusefeste Zwischenstück eingeschraubt sind. Damit läßt sich
die Membran von innen abstützen, so daß keinerlei äußere Halterungen
erforderlich sind. Über die Stützschrauben läßt sich die Membranvorspannung
gegebenenfalls auch einstellen. Eine sehr effektive Abstützung ergibt sich bei
Einwirkung auf den radial innenliegenden Rand der Membran, da hierbei
zugleich auch das vorzugsweise mit diesem Rand fluchtende äußere Schwin
gungselement indirekt abgestützt wird, das heißt dessen Drehachse gleichfalls
definiert festgelegt wird.
Um die Wippenbewegung möglichst wenig zu beeinflussen und Reibungsver
luste zu miminieren, ist es vorteilhaft, die Wippe mit Befestigungslaschen zu
versehen, über die sie mit den Kraftübertragungselementen beziehungsweise
dem Halterungsbolzen verbindbar ist. Diese Befestigungslaschen sind vorzugs
weise über Stege mit der Wippe verbunden, das heißt sie befinden sich im
gewissen Abstand zur Wippe. Die Stege können durch entsprechende Defor
mation die aus den Wippen-Kippbewegungen resultierenden Verschiebungen
der axialen Positionen der äußeren Komponenten kompensieren. Insbesonde
re, wenn die Stege verhältnismäßig dünn ausgebildet sind, ist der Verfor
mungswiderstand der Stege bei Wippenverkippungen relativ gering, während
die Kraftübertragung in axialer Richtung der an der Membran angreifenden
Bolzen aber dennoch ungeschmälert sichergestellt ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
Fig. 3 einen Längsquerschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 beziehungsweise Fig. 2 entlang einer Ebene, die um 90° gegenüber
der Schnittebene gemäß Fig. 1 beziehungsweise Fig. 2 versetzt ist, und
Fig. 4 in vergrößerter Darstellung eine bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung einsetzbare Piezoelementanordnung.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands gezeigt,
das als Koaxialschwinger zur Grenzstanderfassung ausgebildet ist. Das Aus
führungsbeispiel umfaßt ein rohrförmiges Gehäuse 1, an dessen Unterseite ein
zylindrisches Zwischenstück 2 aus Vollmaterial angebracht, vorzugsweise
angeschweißt ist. Die Außenflächen des Gehäuses 1 und des Zwischenstücks
2 fluchten miteinander. An der Unterseite des Zwischenstücks 2 ist eine
Membran 3 mit ihrem äußeren umlaufenden, hochstehenden Rand befestigt.
Der senkrecht zur Mittelachse des Gehäuses 1 und des Zwischenstücks 2
verlaufende Abschnitt der Membran 3 bildet die Schwingungsmembran. An
ihrer radial innen liegenden Seite geht die Membran 3 in einen koaxial nach
unten verlaufenden Stutzen über, an dem, vorzugsweise fluchtend, ein äuße
res Schwingungselement 4 befestigt ist. Das äußere Schwingungselement 4
umfaßt ein koaxial hierzu angeordnetes, am Zwischenstück 2 befestigtes
inneres Schwingungselement 5. Das äußere, rohrförmige Schwingungsele
ment 4 umfaßt das innere, gleichfalls rohrförmige Schwingungselement 5 in
dessen unterem Bereich vorzugsweise vollständig, so daß das Eindringen von
Füllmittel oder anderen Materialien in den Bereich zwischen den Schwingungs
elementen oder in das Innere des inneren Schwingungselements 5 vermieden
ist. Das äußere Schwingungselement 4 kann an seiner Unterseite paddelför
mig ausgebildet sein, um verbessertes Ansprechen auf das Füllmittel zu
erreichen.
An einander diametral gegenüberliegenden Stellen der rotationssymmetrischen
Membran 3 sind an ihrer dem Zwischenstück 2 zugewandten Innenseite
Bolzen 6 angeschweißt. Die Bolzen 6 durchsetzen Durchgangsbohrungen 7 im
Zwischenstück 2, deren Durchmesser deutlich größer als der Bolzendurch
messer ist, zum Beispiel 0,2-0,5 mal so groß. Der Freiraum zwischen der
Innenwand der Durchgangsbohrungen 7 und der Bolzenaußenseite ist so groß,
daß die Bolzen selbst bei Schwingbewegungen der Membran und dement
sprechenden Durchbiegungen der Bolzen nicht in Berührung mit der Durch
gangsbohrungswandung gelangen.
Die Bolzen 6 verlaufen parallel zur Mittelachse der Vorrichtung und ragen bis
in das Gehäuse 1 hinein. In ihrem oberen Abschnitt sind die Bolzen 6 mit
einem Gewindeabschnitt versehen, auf den Muttern 8 aufschraubbar sind.
Alternativ können die Bolzen 6 auch als Innengewindebolzen ausgebildet sein,
in die entsprechende Befestigungsschrauben einschraubbar sind.
Mit ihrem oberen Abschnitt verlaufen die Bolzen 6 durch Durchgangsöff
nungen 9 in einer quer zur Mittelachse des Gehäuses 1 orientierten Wippe 10.
Die Durchgangsbohrungen 9 besitzen ähnlich wie die Durchgangsbohrungen
7 größeren Durchmesser als die Bolzen 6, so daß bei Wippen-Kippbewegun
gen keine Gefahr einer körperlichen Berührung zwischen der Innenwandung
der Durchgangsbohrungen 9 und den Bolzen 6 besteht. Die Wippe 10 ist bei
diesem Ausführungsbeispiel als zweiarmige Wippe ausgebildet und wird in
ihrer Wippen-Drehachse durch einen koaxial zur Mittelachse des Gehäuses 1
und der Schwingungselemente 4, 5 verlaufenden Bolzen 11 gehalten, der in
eine entsprechende, zentrische Gewindebohrung 12 des Zwischenstücks 2
eingeschraubt ist. Der Schraubbolzen 11 durchsetzt eine Durchgangsbohrung
13 in der Wippe 11, deren Durchmesser so groß ist, daß der Bolzen 11 selbst
bei Wippen-Kippbewegungen nicht in Anlage mit der Wandung der Durch
gangsbohrung 13 gelangt. Aufgrund des größeren Durchmessers der Durch
gangsbohrungen 7, 9 und 13 werden Reibungsverluste minimiert.
Um die Reibungsverluste noch weiter zu verringern, liegen die Muttern 8
beziehungsweise der Kopf des Schraubbolzens 11 auf Befestigungslaschen 14
auf, die über Stege 15 mit der Wippe 10 verbunden sind. Wie aus Fig. 1
anhand des teilweise ausgebrochen dargestellten linken Bolzens 6 ersichtlich
ist, ist die Breite der Stege 15 kleiner als der Durchmesser der Bolzen 6, 11,
so daß sich die Stege 15 bei Kipp-Bewegungen in ausreichendem Maß rever
sibel kippend deformieren können, ohne allzu hohen Verformungswiderstand
entgegenzusetzen.
Der Antrieb der Wippe 10 erfolgt über zwei Piezosäulen 16, die zusammen
eine Piezoelementanordnung bilden und jeweils auf entgegengesetzten Seiten
der Wippen-Drehachse, das heißt des mittleren Bolzens 11, zwischen der
Wippe 10 und dem Zwischenstück 2 eingespannt sind. Die beiden Piezosäu
len 16 sind so beschaltet, daß sie wechselweise eine Hubbewegung aus
führen. Durch die hierdurch hervorgerufene Wipp-Bewegung der Wippe 10
wird die Membran 3 konkav/konvex ausgelenkt, wie dies in Fig. 1 durch die
gekrümmt verlaufenden gestrichelten Linien veranschaulicht ist.
Die Piezosäulen 16 sind achsparallel zur Mittelachse des Gehäuses 1 angeord
net und ober- und unterseitig mit Endstücken 17 in Form von Metalldruck
scheiben (siehe insbesondere Fig. 4) versehen. Die Endstücke 17 sind an
ihren Außenseiten bogenförmig abgerundet. Im Anlagebereich der Piezosäulen
16 an der Wippe 10 und dem Zwischenstück 2 sind in letzteren entsprechend
geformte Ausnehmungen 18 vorgesehen, in denen die Endstücke 17 aufge
nommen sind. Hierdurch werden die Piezosäulen 16 lagestabil gehalten.
Die Vorspannung der Piezosäulen 16 kann über die Muttern 8 eingestellt
werden.
Durch die gezeigte Ausführung der Wippe 10 ist es möglich, ein für den
Antrieb günstiges Übersetzungsverhältnis zu erzielen. Da über den Piezoeffekt
einerseits nur geringer Hub erzielbar ist, andererseits aber ausreichende
Hubkraft zur Verfügung gestellt werden kann, kommt dem erreichbaren
Übersetzungsverhältnis besondere Bedeutung zu. Von Wichtigkeit sind ins
besondere die Abstände von der Mittelachse 19 der Piezosäulen 16 und der
Achsen 20 der Bolzen 6, jeweils bezogen auf die Mittelachse 21 des Bolzens
11 (beziehungsweise des Gehäuses 1), und die hierdurch definierten Hebel
armverhältnisse. Bei der beschriebenen Ausführungsform des Wippenantriebs
ist der Bolzenabstand zum Wippendrehpunkt immer größer als der Abstand
der Säulen 16 zum Wippendrehpunkt. Damit ergibt sich eine Übersetzung.
Das Übersetzungsverhältnis kann entsprechend dem zur Verfügung stehenden
Platz durch Veränderung der Abstände auf einen gewünschten Wert einge
stellt werden.
Eine weitere Übersetzung ergibt sich im Membranbereich. Die Übersetzungs
verhältnisse werden dort durch den Abstand der Bolzenachse 20 zu Membran-
Drehpunkten 22 und 23 (Fig. 1) bestimmt. Ein kleinerer Abstand zwischen
Bolzenachse 20 und Membrandrehpunkt 22 zu größerem Abstand zwischen
Bolzenachse 20 und Membrandrehpunkt 23 ergibt eine zusätzliche Über
setzung, die sich zur erstgenannten Übersetzung hinzuaddiert.
In Fig. 2 ist ein abgeändertes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
anstelle einer zweiarmigen Wippe (Fig. 1) eine einarmige Wippe eingesetzt
wird. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen
gemäß Fig. 1 dahingehend, daß der rechte Arm der Wippe 10 gemäß Fig.
1 sowie der rechte Bolzen 6 und die rechte Piezosäule 16 entfallen sind. Auch
die rechte Durchgangsbohrung 7 im Zwischenstück 2 ist nicht vorhanden.
Hiervon abgesehen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 demje
nigen nach Fig. 1, so daß insoweit auf die vorstehende Beschreibung ver
wiesen wird.
Die einfache Wippe gemäß Fig. 2 hat den Vorteil verringerten Platzbedarfes
und Aufwands und ist stets dann einsetzbar, wenn keine allzugroßen Schwin
gungsamplituden gefordert sind. Falls gewünscht, kann der Halterungsbolzen
11 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 auch aus der Mittelachse nach
rechts - unter entsprechender Verlängerung des Wippenarms - verlagert
werden. Wenn dann auch noch der Angriffspunkt der Piezosäule 16 an der
einarmigen Wippe 10 nach rechts verlagert ist, läßt sich ein entsprechend
vergrößertes Hub-Übersetzungsverhältnis erzielen, so daß dennoch verhältnis
mäßig hohe Schwingungsamplituden erreichbar sind. Beim Ausführungsbei
spiel gemäß Fig. 2 befindet sich in der einzigen Piezosäule 16 zumindest ein
Detektor-Piezoelement zur Gewinnung von schwingungsamplitudenrepräsen
tativen Signalen.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
oder 2 gezeigt, der in einer Ebene senkrecht zur Schnittebene gemäß Fig. 1
oder 2 liegt. Wie ersichtlich, sind im Zwischenstück 2 Abstützungen in Form
von Stützschrauben 24 vorhanden, die vom Zwischenstück 2 nach unten bis
zur Innenseite der Membran 3 vorstehen und direkt an dieser anliegen. Die
Abstützungen 24 stabilisieren hierdurch die Membran 3 entlang der Linie ihrer
Auflage, wodurch die Membran gezwungen wird, eine Art Wippbewegung um
die durch die Abstützungen 24 definierte Wipp-Achse auszuführen. Hierdurch
wird das äußere Schwingungselement 4 zu definierten seitlichen Auslenkun
gen gezwungen. Durch die Stützschrauben 24 wird zugleich erreicht, daß die
Membran 3 nicht durch die Zug-Bolzen 6 nach innen beziehungsweise nach
oben gezogen werden kann. Die Membran wird somit lagestabilisiert. Die
Stützschrauben 24 liegen am radial inneren Abschnitt der Membran 3 in
demjenigen Bereich auf, der dem fluchtend in das äußere Schwingungsele
ment 5 übergehenden Membranabschnitt innenseitig gegenüberliegt. Die
Stützschrauben 24 verlaufen achsparallel zur Mittelachse der Vorrichtung mit
gleichem Abstand zu dieser.
Anstelle von Stützschrauben 24 können auch anders geartete Abstützungen,
beispielsweise in Form von Vorsprüngen oder Bolzen, eingesetzt werden. Die
Stützschrauben 24 besitzen aber den Vorteil, daß sie bei Bedarf nach- und
einstellbar sind.
In Fig. 4 ist eine der Piezosäulen 16 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die
Piezosäule 16 umfaßt an beiden Enden metallische Endstücke 17 mit kreisbo
genförmig abgerundeten Außenseiten. Die Endstücke 17 dienen als Druck
stücke zur Verteilung des Flächendrucks. Die innenliegende Seite der End
stücke 17 ist flach und liegt jeweils an einer Isolierscheibe 25 an, die vorzugs
weise aus Keramik besteht und zur Erreichung der Potentialfreiheit der Metall
druckstücke und damit der mit diesen in Verbindung stehenden Elementen
dient. Zwischen den Isolierscheiben 25 befinden sich mehrere Piezoscheiben
26, die der Polarität entsprechend gepaart sind und über nach außen vor
stehende Anschlußelektroden 27 kontaktiert werden. Die beiden Piezosäulen
16 gemäß Fig. 1 sind so beschaltet, daß sie wechselweise eine Hubbewe
gung ausführen.
Claims (25)
1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimm
ten Füllstands in einem Behälter, mit zwei koaxial zueinander angeord
neten Schwingungselementen (4, 5), die in den das hinsichtlich seines
Füllstands zu überwachende Füllmittel enthaltenden Behälter hinein
ragen und von denen eines an einer Membran (3) angebracht ist, die
durch eine Piezoelementanordnung (16) periodisch verformbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelementanordnung (16) an einer
auf die Membran (3) einwirkenden Wippe (10) angreift.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wippe
(10) in ihrer Drehachse über einen Bolzen (11) gehalten ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen
(11) parallel, vorzugsweise koaxial, zur Mittelachse der Schwingungs
elemente (4, 5) verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bolzen (11) in ein fest mit dem Vorrichtungsgehäuse (1) verbundenes
Zwischenstück (2) eingeschraubt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wippe (10) über zumindest einen Bolzen (6)
mit der Membran (3) gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu
mindest eine Bolzen (6) an der Membran (3) befestigt, vorzugsweise
angeschweißt, ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Membran (3) an ihrer Außenseite mit einem die Wippe (10) umfassen
den Gehäuse (1) direkt oder über ein Zwischenelement (2) fest ver
bunden ist und der zumindest eine Bolzen (6) an einem zwischen der
Membranaußenseite und dem Verbindungsabschnitt zwischen der
Membran (3) und dem äußeren Schwingungselement (4) liegenden
Bereich an der Membran (3) angreift.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Bolzen (6, 11) als Gewindebolzen ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Wippe (10) Durchgangsbohrungen (9, 13) für die Bolzen
(6, 11) aufweist, deren Durchmesser größer als der Bolzendurchmesser
ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Piezoelementanordnung (16) zumindest eine
Piezosäule aufweist, die achsparallel zu den Schwingungselementen (4,
5) angeordnet ist und zwischen der Wippen-Drehachse und dem mit
der Membran (3) gekoppelten Abschnitt der Wippe (3) an der Wippe (3)
angreift.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
zumindest eine Piezosäule (16) mit ihrem der Wippe abgewandten
Ende an einem fest mit einem die Wippe (10) umfassenden Gehäuse
(1) verbundenen Zwischenstück (2) anliegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die zumindest eine Piezosäule (16) oberseitig abgerundete Endstücke
(17), vorzugsweise aus Metall, aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Endstücken (17) und den Piezoelementen (26) Isolierscheiben (25)
angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Wippe (10) und/oder am Zwischenstück (2) Ver
tiefungen (18) vorgesehen sind, in die die zumindest eine Piezosäule
(16) eingreift.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wippe (10) als einarmige Wippe ausgebildet
ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich
net, daß die Wippe (10) als zweiarmige Wippe ausgebildet ist und die
Piezoelementanordnung (16) zwei Piezosäulen umfaßt, von denen
jeweils eine auf einen der Wippenarme einwirkt und die in Gegenphase
ansteuerbar sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß nur in
einer der Piezosäulen (16) zumindest ein Detektor-Piezoelement an
geordnet ist, dessen Ausgangssignale einer Auswerteschaltung zur
Schwingungsamplitudenerfassung zugeführt werden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Wippenarme über zwei Bolzen (6) auf die Membran (3)
einwirken, die diametral an der Membran (3) angebracht, vorzugsweise
angeschweißt sind.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich
net durch Abstützungen (24), die entlang einer quer zur Wippenlängs
achse verlaufenden Linie an der Membran (3) angreifen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abstützungen (24) durch Stützschrauben gebildet sind, die in ein
gehäusefest angebrachtes Zwischenstück (2) eingeschraubt sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstützungen (24) am radial innenliegenden Rand der Membran (3)
angreifen.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wippe (10) mit Befestigungslaschen (14)
versehen ist, über die sie an mit den Bolzen (6, 11) verschraubten
Muttern (8) und/oder Schrauben anliegt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die
Befestigungslaschen (14) über hochstehende Stege (15) mit der Wippe
(10) verbunden sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege
(15) eine Breite besitzen, die kleiner als der Bolzendurchmesser ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der die Wippe (10) mit der Membran (3) koppelnde
Bolzen (6) am oberen Teil mit einem Gewinde
versehen ist, über welches mittels einer Mutter (8) die Vorspannung
auf die Piezoelementanordnung (16) eingestellt werden kann.
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DE19924203715 DE4203715C2 (de) | 1992-02-08 | 1992-02-08 | Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter |
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DE19924203715 DE4203715C2 (de) | 1992-02-08 | 1992-02-08 | Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter |
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R071 | Expiry of right |