EP4436723A1 - Baugruppe mit einer anschlussleitungen aufweisenden antriebseinheit und einer hülse zum verbinden der antriebseinheit mit einer membran eines vibrationssensors, vibrationssensor und verfahren zum verbinden einer antriebseinheit mit einer membran eines vibrationssensors - Google Patents

Baugruppe mit einer anschlussleitungen aufweisenden antriebseinheit und einer hülse zum verbinden der antriebseinheit mit einer membran eines vibrationssensors, vibrationssensor und verfahren zum verbinden einer antriebseinheit mit einer membran eines vibrationssensors

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Publication number
EP4436723A1
EP4436723A1 EP22803233.0A EP22803233A EP4436723A1 EP 4436723 A1 EP4436723 A1 EP 4436723A1 EP 22803233 A EP22803233 A EP 22803233A EP 4436723 A1 EP4436723 A1 EP 4436723A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive unit
sleeve
membrane
vibration sensor
assembly
Prior art date
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Pending
Application number
EP22803233.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Fehrenbach
Jonas SCHWAB
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Publication of EP4436723A1 publication Critical patent/EP4436723A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels

Definitions

  • the invention relates to an assembly according to the preamble of patent claim 1, a vibration sensor according to the preamble of patent claim 9 and a method for connecting a drive unit to a diaphragm of a vibration sensor according to patent claim 12.
  • Drive units can, for example, be used as transmitting and/or receiving devices in vibration sensors, which are often used in fill level measurement technology, for example as limit level sensors. Such drive units are also referred to as transmitting and/or receiving units.
  • the vibration sensor typically has a membrane that can be excited to vibrate via such a drive unit, by means of which a mechanical vibration unit arranged on the membrane, for example in the form of an oscillating fork, can be excited to vibrate.
  • a mechanical vibration unit arranged on the membrane for example in the form of an oscillating fork
  • the mechanical vibration unit oscillates at a characteristic frequency that is detected by the vibration sensor and can be converted into a measurement signal.
  • a multi-segmented piezo element is glued to the membrane. By applying an electrical voltage to one or more segments of the piezo element, this is excited to bend or torsion and transmits this to the membrane, which is set in motion and causes the mechanical vibration unit to vibrate.
  • This type of drive only produces a limited stroke and can only be used with vibration sensors that are used at temperatures well below the glass transition temperature of the adhesive used and below the Curie temperature of the piezo material used. These sensors are not suitable for high-temperature applications above 150 °C.
  • piezo stack drives a second variant of drive units, so-called piezo stack drives.
  • a stack of a piezo unit consisting of one or more piezo elements, one ceramic adapter arranged above and/or below the piezo unit, and pressure pieces arranged above and/or below the ceramic adapters is clamped against the membrane of the sensor, for example by means of a clamping bolt arranged on the membrane.
  • a clamping bolt arranged on the membrane.
  • FIG. 4 shows a section of a vibration sensor 100 known from the prior art, which is used, for example, as a limit level sensor in level measurement technology.
  • Vibration sensor 100 has a membrane 90 that can be excited to oscillate via a piezo stack drive 11, which acts as a piezoelectric transmitting and/or receiving device.
  • the vibration sensor 100 has a piezo stack drive 11 made up of piezo elements 15 stacked one on top of the other and contacted via electrodes 16, with an adaptation ceramic 17 and a pressure piece 19, here made of a metallic material, being arranged above and below in the stack. An insulating element 89 is also provided.
  • the matching ceramics 17 are used to match a thermal expansion coefficient between the piezo elements 15 and the pressure pieces 19.
  • the pressure pieces 19 are designed in such a way that a force from the piezo stack is tapped over the entire surface.
  • the piezo stack drive 11 is clamped against the membrane 90 by means of a clamping bolt 91 integrally formed on the membrane 90 and by means of a clamping nut 92, so that vibrations of the piezo stack drive 11 are effectively transmitted to the membrane 90 and vice versa. Electrodes 16 for contacting the piezo elements 15 are contacted with electrical connection lines 31 which run on the outside of the piezo stack drive 11 and are led to sensor electronics on the back. On the membrane 90 there is an edge 93 which runs around the outside and extends in the rear direction. The rim 93 may be formed integrally with the diaphragm 90. A sensor housing 98 is arranged on the membrane 90 over the edge 93 and is connected to the edge or formed in one piece with it.
  • the assembly according to the invention comprises a drive unit and a sleeve.
  • the sleeve serves to connect the drive unit to a membrane of a vibration sensor in such a way that vibrations of the drive unit are transmitted to the membrane and vibrations of the membrane are transmitted to the drive unit.
  • the sleeve preferably serves to brace the drive unit against the membrane.
  • the drive unit includes connection lines, in particular electrical connection lines.
  • the assembly includes rotational locking means for rotationally locking the drive unit relative to the sleeve.
  • the rotational locking means are preferably designed to have a form-fitting effect.
  • the rotational locking means preferably act directly between the drive unit and the sleeve.
  • the drive unit is preferably fixed to the sleeve in a form-fitting manner in the circumferential direction of the sleeve by means of the rotational locking means.
  • the sleeve is preferably cylindrical.
  • the sleeve preferably has a sleeve wall which can be jacket-shaped.
  • the drive unit can preferably be arranged in the sleeve.
  • a mechanical vibration unit is preferably arranged on the front side of the membrane.
  • the mechanical vibration unit preferably includes a vibration fork.
  • the mechanical vibration unit can be formed in one piece with the membrane.
  • the drive unit preferably includes at least one piezo element.
  • the piezoelectric element preferably has the shape of a full-surface disc, preferably a circular disc, and is therefore not ring-shaped. In this way, a larger area of the piezo element is available for generating the drive power.
  • the drive unit preferably includes a piezo stack drive.
  • the drive unit can have, for example, a stack with a piezo unit with at least one piezo element, and in the stack above and/or below the piezo unit an adaptation ceramic for matching the thermal expansion coefficient.
  • a pressure piece can adjoin the at least one matching ceramic.
  • Electrodes are preferably provided for contacting the at least one piezo element.
  • the electrodes are preferably in contact with the electrical connection lines, preferably pressed.
  • the electrical connection lines preferably include contacts, such as plug-in contacts. The contacts can be crimpable.
  • the rotation locking means comprise at least one slot of the sleeve, which preferably runs parallel to the sleeve axis, and more preferably at least one projection of the drive unit that can be arranged in this slot.
  • the rotational locking means can be designed to be particularly reliable.
  • slot refers to any elongate indentation, for example also the indentation of a possible groove of the sleeve.
  • the sleeve can, in particular on the inside of its sleeve wall, have at least one groove that preferably runs parallel to the sleeve axis, and the slot can be designed as an indentation in this groove.
  • the at least one slot is preferably designed as a recess in the sleeve that extends completely through the sleeve wall in the radial direction of the sleeve.
  • rotational locking means comprise two radially opposite slots of the sleeve and two projections of the drive unit that can each be arranged in one of these slots, then a prerequisite for a particularly resilient and reliable rotational locking is created.
  • a rotation lock that is at least largely free of play can be created if the at least one projection is designed to correspond to the associated slot.
  • the rotary lock can be particularly resilient if the at least one slot is designed in the shape of a dovetail and preferably the at least one projection is also designed in the shape of a dovetail.
  • the slots and/or projections can be mirror-symmetrical to one another, preferably in relation to a plane encompassing the axis of the sleeve.
  • slits instead of one slit or two slits, three, four, five, six or more slits and a corresponding number of projections can also be provided.
  • the slots can differ in size and/or shape and the projections can be designed correspondingly, so that the drive unit can be arranged in precisely one rotational position relative to the sleeve in the latter, i.e. the alignment of the drive unit in the sleeve is predetermined. This can facilitate assembly.
  • connection lines are routed in the at least one projection.
  • kinking of the connection lines, in particular at their contacts can be avoided.
  • the connecting lines are guided in the at least one projection with strain relief, for example glued.
  • the sleeve preferably has a clamping section for positioning the drive unit relative to—and preferably in—the cylindrical sleeve or for bracing the drive unit against the membrane.
  • the clamping section preferably has the form of a threaded bore with an internal thread.
  • the at least one slot of the sleeve preferably also extends into the clamping section, preferably over its entire axial extent.
  • the internal thread of the clamping section is therefore preferably slotted through the at least one slot, preferably completely, ie over the entire axial extent of the internal thread.
  • the drive unit preferably has a—preferably cylindrical—central area in which at least one piezoelectric element of the drive unit can be arranged.
  • a receiving section of the sleeve preferably adjoins the clamping section.
  • the receiving section preferably serves to receive the central area of the drive unit.
  • the receiving section is preferably cylindrical.
  • the diameter of the receiving section can be larger than the diameter of the threaded hole.
  • the assembly preferably includes a clamping screw.
  • the thread of the clamping screw is preferably an external thread designed to correspond to the internal thread of the clamping section.
  • the clamping screw is preferably rotatable relative to the assembly.
  • the clamping screw can be arranged captively on the assembly.
  • a position of the drive unit in the sleeve in the direction of the sleeve axis can preferably be fixed by means of the clamping section and more preferably the clamping screw and more preferably in this way, with the sleeve fastened to the membrane, the drive unit can be braced against the membrane.
  • the drive unit can be positioned in different positions relative to the sleeve, preferably steplessly, by means of the clamping section and the clamping screw.
  • the clamping screw can be designed as a stud.
  • the clamping screw is preferably solid, so it preferably has no openings, for example for electrical lines.
  • the clamping screw can therefore have an internal actuating opening, such as a hexagon socket, as a drive or as an actuating surface.
  • the tensioning section preferably allows a pretensioning force of the drive unit to be set. This means in particular the force with which the components of the piezo stack drive must be pressed together for the proper functioning of this piezo stack drive.
  • a previously known pretensioning force of the drive unit can preferably be generated by means of the tensioning section and the tensioning screw.
  • An axial bearing is particularly preferably formed between the clamping screw and the drive unit.
  • the axial bearing is preferably an axial sliding bearing.
  • the axial bearing is preferably formed in that the drive unit provides a sliding surface and the clamping screw provides an end face that corresponds thereto.
  • the sliding surface of the drive unit and the end face can be flat.
  • Centering means can be provided for centering the end face of the clamping screw relative to the sliding surface of the drive unit.
  • the centering means can comprise a circumferential projection or a plurality of non-circular projections on the circumference of the sliding surface of the drive unit or on the circumference of the end face of the clamping screw.
  • the sleeve preferably has an insertion opening through which the drive unit can be inserted into the sleeve.
  • the sleeve preferably has only exactly one insertion opening.
  • the drive unit can therefore preferably not be inserted into the sleeve from both sides, but only from one.
  • the sleeve preferably has a contact opening which is preferably opposite the insertion opening and by means of which the membrane can be mechanically contacted by the drive unit.
  • the sleeve preferably has a ring section which is preferably closed, ie not interrupted.
  • the at least one slot is preferably adjacent to the ring section. If there are several slits, all of the slits preferably adjoin the annular section. A number of advantages can be achieved in this way. On the one hand, the stability of the sleeve can be increased and it can be ensured that the sleeve does not fall apart, for example during installation in the vibration sensor, even if there are several slots.
  • the ring section can be arranged on an axial end area of the sleeve, preferably opposite the insertion opening.
  • the ring section can prevent the drive unit from being inserted through the ring section, for example by its opening being too small for the drive unit to be guided through with its at least one projection.
  • the ring section can be designed to be particularly resilient.
  • the annular section preferably prevents the drive unit from being inserted through the annular section, it allows the membrane to be mechanically contacted by the drive unit through its opening.
  • the opening of the ring section is preferably the contact opening of the sleeve.
  • the insertion opening is preferably arranged opposite the ring section.
  • the at least one slot on the side of the insertion opening of the sleeve preferably extends in the axial direction through the entire sleeve wall.
  • the sleeve preferably has the shape of a ring interrupted by the at least one slit.
  • the sleeve preferably has a fastening section for fastening the sleeve—preferably directly or indirectly—to the membrane or to an edge arranged on the membrane.
  • the fastening section preferably comprises the ring section of the sleeve.
  • the fastening section preferably comprises a web which projects outwards from the sleeve in the radial direction thereof. The web is preferably completely or partially circumferential.
  • the ring section can be "C"-shaped, i.e. have exactly one opening or interruption, which can be formed by the slot or one of the slots.
  • the web of the fastening section of the sleeve can engage in a depression, for example an annular groove, of the vibration sensor.
  • the depression can be formed on the edge arranged on the membrane.
  • the sleeve can be attached to the vibration sensor with a bayonet lock. This can be formed between the fastening section of the sleeve and, for example, the edge arranged on the membrane.
  • the bayonet lock can include a depression, for example an annular groove, of the vibration sensor, in particular of the edge arranged on the membrane.
  • the subassembly can have an anti-twist device which interacts with the membrane or an element connected to the membrane in such a way that twisting of the subassembly relative to the membrane is limited, preferably prevented.
  • the anti-twist device can be designed as a recess or as a projection in the web of the sleeve and a corresponding recess or projection of the vibration sensor.
  • the anti-twist device can be designed as an assembly aid. It can specify the rotational position in which the sleeve can be mounted relative to the membrane.
  • the drive unit can preferably be arranged in the sleeve--preferably by means of the rotational locking means--in such a way that it is positively fixed in the sleeve in the radial direction of the sleeve.
  • the correct radial position of the drive unit in the sleeve is specified and the susceptibility to errors during assembly is further reduced.
  • the ability of the drive unit to be arranged in a form-fitting manner in the radial direction of the sleeve in the sleeve can be brought about exclusively or partially by the interaction of the at least one projection with the at least one slot.
  • the form fit in the radial direction of the sleeve can, for example, by the dovetail shape of two opposite slots and be achieved corresponding to this running projections.
  • the drive unit can be self-arrangable in the sleeve, preferably by means of the rotational locking means.
  • the rotational locking means in this embodiment can also be referred to as rotational locking and centering means.
  • the vibration sensor according to the invention comprises a membrane that can be made to vibrate and preferably a connecting part.
  • the vibration sensor according to the invention includes an assembly according to the above description with a drive unit and a sleeve.
  • the drive unit is braced against the membrane by means of the sleeve.
  • the vibration sensor can be a point level sensor.
  • the sleeve is preferably attached directly or indirectly to the membrane.
  • An edge is preferably arranged on the membrane, preferably on the back of the membrane. "Back of the membrane” means in the context of this publication on the opposite side of the membrane to the mechanical vibration unit.
  • the edge can be circumferential around the membrane on the outside. It can extend perpendicularly to a membrane plane and is preferably web-shaped. The edge can be integral with the The sleeve can be fastened to this edge, preferably with its web.
  • the insertion opening of the sleeve preferably points away from the membrane, preferably in such a way that the drive unit can also be inserted into the sleeve when the sleeve is already attached to the membrane.
  • the sleeve is preferably fixed in the vibration sensor by means of its web, preferably exclusively.
  • the web of the sleeve is positively and/or non-positively fixed in the vibration sensor in the axial and/or radial direction of the sleeve.
  • the web can be fixed in the vibration sensor with a material connection, for example welded.
  • connection part of the vibration sensor is preferably arranged on the back of the membrane and more preferably attached to the membrane.
  • the connection part can be tubular.
  • the connection part can be part of a sensor housing and/or a sensor extension.
  • the connection part can be connected to the edge arranged on the membrane.
  • the connection part can be materially connected to the membrane and/or the edge arranged on the membrane, for example welded.
  • the sleeve in particular its web, is preferably fixed between the connection part and the membrane or the edge arranged on the membrane.
  • the connection part and/or the membrane or the edge arranged on the membrane preferably has a step and more preferably a - preferably ring-shaped - contact area between the connection part and the membrane or the edge arranged on the membrane is radially outside this step. intended.
  • the step can provide a depression, for example an annular groove, in which the web is preferably arranged.
  • An undercut of the connection part and/or the membrane or the edge arranged on the membrane is preferably formed axially adjoining the step on one side or both sides.
  • the web of the sleeve engages behind the undercut.
  • the web of the sleeve can preferably be arranged between the connection part and the membrane or the edge arranged on the membrane, before the connection part is connected to the membrane and/or the edge arranged on the membrane.
  • This connection allows the sleeve to be fixed in the vibration sensor, for example by clamping the web of the sleeve between the edge arranged on the membrane and the connecting part.
  • this material connection can also include the web of the sleeve.
  • the web can therefore also be welded, for example, when the connection part and the edge arranged on the membrane are welded.
  • the membrane or the edge arranged on the membrane itself can have an undercut or a depression, in particular an annular groove, for fixing the sleeve in the vibration sensor without involving a connector.
  • the membrane can have a contact projection on the back for mechanical contacting of the drive unit.
  • the contact projection can be arranged centrally in relation to the membrane and/or centrally between tines of the tuning fork.
  • the contact projection can, for example, be in the shape of a spherical cap or cylindrical.
  • the pretensioning force of the drive unit and the force with which the drive unit is tensioned against the membrane is preferably effected by the same element or the same elements—preferably the tensioning section and the tensioning screw. In this way, the work step of separately generating the prestressing force before generating the force with which the drive unit is pressed against the membrane can be omitted.
  • the drive unit In the case of vibration sensors known from the prior art, the drive unit often operates under tension and transmits tensile forces to the membrane—for example via a clamping bolt formed onto the membrane.
  • a drive unit working under tension can also be within the scope of the invention.
  • the drive unit preferably works under pressure.
  • a compressive force can preferably be introduced into the membrane by the drive unit, preferably centrally, so that it is deformed outwards in the axial direction from the sensor's point of view.
  • the method according to the invention for connecting a drive unit to a membrane of a vibration sensor has the following steps:
  • the method according to the invention simplifies assembly and reduces the load on the drive unit.
  • the drive unit is preferably not rotated relative to the sleeve during the process.
  • the tightening screw is preferably screwed in after the rotation lock has been effected.
  • connection part and/or the membrane and/or the sleeve for example for or during a coating
  • connection part or the membrane or the sleeve Cool or allow to cool the connection part or the membrane or the sleeve
  • connecting the connecting part to the membrane or to the edge arranged on the membrane, for example by welding.
  • Such a subsequent assembly can protect the drive unit from high loads, such as thermal loads during coating processes.
  • the heating and cooling, or allowing to cool, can also be done after connecting the fitting to the membrane.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an embodiment of the assembly
  • Fig. 2 shows an assembled representation of the assembly from Fig. 1,
  • FIG 4 shows a longitudinal section through a vibration sensor according to the prior art (already dealt with).
  • an assembly 9 comprises a drive unit 1 and a cylindrical sleeve 10.
  • the sleeve 10 is used to connect the drive unit 1 to a membrane 90 (see FIG. 3) of a vibration sensor, more precisely to brace the drive unit 1 having electrical connection lines 31 against the membrane 90.
  • the subassembly 9 has rotational locking means 40 that act in a form-fitting manner, for rotationally locking the drive unit 1 relative to the cylindrical sleeve 10.
  • the drive unit 1 preferably comprises a piezo stack drive 11. More precisely, it has a stack with a piezo unit with at least one piezo element in the form of a full-surface disc, and in the stack above and/or below the piezo unit in each case an adaptation ceramic for the adaptation of the thermal expansion coefficient (not shown in detail in FIGS. 1 to 3).
  • the rotational locking means 40 comprise two radially opposite slots 42, 42' of the sleeve 10 running parallel to the sleeve axis and two projections 44, 44' of the drive unit designed to correspond to these slots 42, 42' 1, which can be arranged in these slots 42, 42'.
  • the slots 42, 42' and the projections 44, 44' are dovetail-shaped.
  • the slots 42, 42' and the projections 44, 44' are each mirror-symmetrical to one another in relation to a plane encompassing the sleeve axis.
  • connection lines 31 are guided in the two projections 44, 44'.
  • the sleeve 10 has a clamping section 25 .
  • This is designed as an internal thread 27 slotted twice through the slots 42, 42' of the sleeve, with the slots 42, 42' each extending over the entire axial extent of the clamping section 25.
  • the assembly 9 also includes a clamping screw 35 having an external thread 99 formed to correspond to the internal thread 27 of the clamping portion 25 (see Figure 1).
  • a position of the drive unit 1 in the sleeve 10 can be fixed in the axial direction A of the sleeve and in this way, with the sleeve 10 fastened to the membrane 90, the drive unit 1 can be clamped against the membrane 90 and at the same time a previously known position Prestressing force of the drive unit 1 in the drive unit 1 can be generated.
  • An axial bearing 60 is designed as an axial plain bearing between the clamping screw 35 and the drive unit 1, in that the drive unit 1 provides a flat sliding surface and the clamping screw 35 provides a flat end face corresponding thereto.
  • a cylindrical receiving section 29 of the sleeve 10 adjoins the clamping section 25 of the sleeve 10 for receiving a central region 3 of the drive unit 1.
  • the receiving section 29 is cylindrical.
  • the diameter of the receiving section 29 is larger than the diameter of the threaded hole, see for example Fig. 3.
  • the double arrow A in FIGS. 1 to 3 shows not only the axial direction A of the sleeve but also the position of the sleeve axis.
  • the two slots 42, 42' adjoin a closed annular section 65 of the sleeve 10, which is arranged in an axial end region of the sleeve 10.
  • the closed ring section 65 prevents the drive unit 1 from being inserted through the closed ring section 65, since its opening 67 forming the contact opening of the sleeve 10 is too small for the drive unit 1 with its projections 44, 44' to be passed through.
  • the sleeve 10 has exactly one insertion opening 14 opposite the closed ring section 65 .
  • the sleeve 10 has a fastening section 12 for fastening the sleeve 10 directly to an edge 93 which is arranged in one piece on the membrane 90 .
  • the edge 93 runs around the membrane 90 .
  • the edge 93 extends perpendicularly to a diaphragm plane and is web-shaped.
  • the fastening section 12 comprises the closed ring section 65 of the sleeve 10 and has a web 21 which projects outwards from the sleeve 10 in the radial direction and which runs completely around.
  • the insertion opening 14 points away from the membrane 90, so that the drive unit 1 can still be used, for example after a thermally stressed coating process of the membrane, connecting part and/or sleeve can be inserted into the sleeve 10.
  • the membrane 90 has a central contact projection 97 in the form of a cylindrical projection on the back for mechanical contacting of the drive unit 1.
  • the contact projection can also be in the form of a spherical cap.
  • the drive unit 1 can be arranged in the sleeve 10 in such a way that it is positively fixed in the sleeve 10 in the radial direction R of the sleeve 10 .
  • the drive unit 1 is braced against the membrane 90 (not shown).
  • the sleeve 10 is fixed in the vibration sensor solely by means of its web 21 .
  • the web 21 of the sleeve is positively and non-positively fixed in the vibration sensor in the axial direction A and the radial direction R of the sleeve.
  • the vibration sensor comprises a tubular connection part 80 arranged on the rear of the membrane 90 and the web 21 of the sleeve is fixed between the connection part 80 and the edge 93 .
  • the connecting part 80 and the rim 93 each have a step 94 for receiving or clamping the web 21 and radially outside of this step 94 there is an annular contact area 95 between the connecting part 80 and the rim 93 in which the connecting part 80 and the rim 93 can be welded to one another and/or to the web 21.
  • the prestressing force of the drive unit 1 is brought about by the same elements as the force with which the drive unit 1 is braced against the membrane 90, namely by the tensioning section 25 and the tensioning screw 35.
  • a mechanical oscillation unit 7 in the form of an oscillating fork is arranged on the front side of the membrane 90 in one piece with the membrane.

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Abstract

Baugruppe (9) mit einer Anschlussleitungen (31) aufweisenden Antriebseinheit (1) und einer Hülse (10), zum Verbinden der Antriebseinheit (1) mit einer Membran (90) eines Vibrationssensors derart, dass Schwingungen der Antriebseinheit (1) auf die Membran (90) und Schwingungen der Membran (90) auf die Antriebseinheit (1) übertragen werden, wobei die Baugruppe (9) Dreharretierungsmittel (40) aufweist, zur Dreharretierung der Antriebseinheit (1) relativ zu der Hülse (10).

Description

Baugruppe mit einer Anschlussleitungen aufweisenden Antriebseinheit und einer Hülse zum Verbinden der Antriebseinheit mit einer Membran eines Vibrationssensors, Vibrationssensor und Verfahren zum Verbinden einer Antriebseinheit mit einer Membran eines Vibrationssensors
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren zum Verbinden einer Antriebseinheit mit einer Membran eines Vibrationssensors gemäß Patentanspruch 12.
Antriebseinheiten können beispielsweise in Vibrationssensoren, die häufig in der Füllstandmesstechnik beispielsweise als Grenzstandsensoren zum Einsatz kommen, als Sende- und/oder Empfangseinrichtungen eingesetzt werden. Solche Antriebseinheiten werden auch als Sende- und/oder Empfangseinheiten bezeichnet.
Typischerweise weist der Vibrationssensor eine über eine solchen Antriebseinheit zu einer Schwingung anregbare Membran auf, mittels der eine an der Membran angeordnete mechanische Schwingungseinheit, beispielsweise in Form einer Schwinggabel, zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand der mechanischen Schwingungseinheit mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes, schwingt die mechanische Schwingungseinheit mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Vibrationssensor detektiert wird und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
Im Stand der Technik sind zwei unterschiedliche Arten von Antriebseinheiten häufig im Einsatz. In einer ersten Variante ist ein mehrfach segmentiertes Piezoele- ment mit der Membran verklebt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einzelne oder mehrere Segmente des Piezoelements wird dieses zu einer Biegung oder Torsion angeregt und überträgt diese auf die Membran, die dadurch in Schwingung versetzt wird und die mechanische Schwingungseinheit in Schwingung versetzt. Diese Art von Antrieb erzeugt nur einen begrenzten Hub und kann nur bei Vibrationssensoren eingesetzt werden, die bei Temperaturen deutlich unter der Glasübergangstemperatur des verwendeten Klebers und unterhalb der Curie- Temperatur des verwendeten Piezomaterials eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen über 150 °C sind diese Sensoren nicht geeignet. Wird für eine Anwendung ein Sensor mit größerem Hub benötigt oder ist ein Einsatz bei höheren Temperaturen notwendig, so wird eine zweite Variante von Antriebseinheiten, sogenannte Piezostapelantriebe, eingesetzt. Hier ist ein Stapel aus einer Piezoeinheit aus einem oder mehreren Piezoelementen, je einer oberhalb und/oder unterhalb der Piezoeinheit angeordneten Anpassungskeramik sowie oberhalb und/oder unterhalb der Anpassungskeramiken angeordneten Druckstücken gegen die Membran des Sensors gespannt, beispielsweise mittels eines an der Membran angeordneten Spannbolzens. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezoelemente ändern diese ihre Ausdehnung in axialer Richtung des Bolzens und versetzen die Membran so in Schwingung.
Ein bekannter Vibrationssensor mit einer Antriebseinheit in Form eines Piezosta- pelantriebs ist in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensors 100, der beispielsweise in der Füllstandmesstechnik als Grenzstandsensor eingesetzt wird.
Der Vibrationssensor 100 weist eine über einen Piezostapelantrieb 11, der als piezoelektrische Sende- und/oder Empfangseinrichtung wirkt, zu einer Schwingung anregbare Membran 90 auf, mittels der eine an der Membran 90 angeordnete mechanische Schwingungseinheit 7 zu einer Schwingung anregbar ist.
Der Vibrationssensor 100 weist einen Piezostapelantrieb 11 aus übereinander gestapelten, über Elektroden 16 kontaktierten Piezoelementen 15 auf, wobei oberhalb und unterhalb in dem Stapel je eine Anpassungskeramik 17 sowie ein Druckstück 19, vorliegend aus einem metallischen Werkstoff, angeordnet ist. Zudem ist ein Isolierelement 89 vorgesehen. Die Anpassungskeramiken 17 dienen zur Anpassung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Piezoelementen 15 und den Druckstücken 19. Die Druckstücke 19 sind derart ausgebildet, dass eine Kraftwirkung aus dem Piezostapel vollflächig abgegriffen wird.
Der Piezostapelantrieb 11 ist mittels eines an der Membran 90 einstückig angeformten Spannbolzens 91 und mittels einer Spannmutter 92 gegen die Membran 90 verspannt, sodass Schwingungen des Piezostapelantriebs 11 effektiv auf die Membran 90 übertragen werden und umgekehrt. Elektroden 16 zur Kontaktierung der Piezoelemente 15 sind mit elektrischen Anschlussleitungen 31 kontaktiert, die außenseitig an dem Piezostapelantrieb 11 verlaufen und rückseitig zu einer Sensorelektronik geführt sind. An der Membran 90 ist ein außenseitig umlaufender und sich in rückseitige Richtung erstreckender Rand 93 angeordnet. Der Rand 93 kann einstückig mit der Membran 90 ausgebildet sein. An der Membran 90 ist über den Rand 93 ein Sensorgehäuse 98 angeordnet, das mit dem Rand verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Nachteilig bei bekannten Sensoren ist, dass ihre Montage fehleranfällig ist bzw. die Antriebseinheit und insbesondere die Anschlussleitungen der Antriebseinheit bei der Montage in den Vibrationssensor großer Belastung ausgesetzt sein können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitergebildete Baugruppe mit einer Antriebseinheit und einer Hülse, einen Vibrationssensor und ein Verfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, sowie durch ein Verfahren zum Verbinden einer Antriebseinheit mit einer Membran eines Vibrationssensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Die erfindungsgemäße Baugruppe umfasst eine Antriebseinheit und eine Hülse. Die Hülse dient zum Verbinden der Antriebseinheit mit einer Membran eines Vibrationssensors, derart, dass Schwingungen der Antriebseinheit auf die Membran und Schwingungen der Membran auf die Antriebseinheit übertragen werden. Bevorzugt dient die Hülse zum Verspannen der Antriebseinheit gegen die Membran. Die Antriebseinheit umfasst Anschlussleitungen, insbesondere elektrische Anschlussleitungen. Die Baugruppe weist Dreharretierungsmittel auf, zur Dreharretierung der Antriebseinheit relativ zu der Hülse. Die Dreharretierungsmittel sind bevorzugt formschlüssig wirkend ausgebildet. Vorzugsweise wirken die Dreharretierungsmittel unmittelbar zwischen der Antriebseinheit und der Hülse. Bevorzugt ist die Antriebseinheit mittels der Dreharretierungsmittel in Umfangsrichtung der Hülse formschlüssig an der Hülse fixiert.
Auf diese Weise kann die Belastung der Antriebseinheit bei der Montage in den Vibrationssensor reduziert werden, indem während dieser Montage auf zuverlässige Art und Weise eine insbesondere die Anschlussleitungen und deren etwaige Kontakte belastende Torsion der Antriebseinheit relativ zur Hülse verhindert werden kann.
Die Hülse ist bevorzugt zylindrisch. Die Hülse weist bevorzugt eine Hülsenwand auf, die mantelförmig sein kann. Die Antriebseinheit ist bevorzugt in der Hülse anordenbar. Bevorzugt ist an der Membran vorderseitig eine mechanische Schwingungseinheit angeordnet. Die mechanische Schwingungseinheit umfasst bevorzugt eine Schwinggabel. Die mechanische Schwingungseinheit kann einstückig mit der Membran ausgebildet sein.
Die Antriebseinheit umfasst bevorzugt mindestens ein Piezoelement. Bevorzugt weist das Piezoelement die Form einer vollflächigen Scheibe, vorzugsweise Kreisscheibe, auf, ist also nicht etwa ringförmig. Auf diese Weise steht eine größere Fläche des Piezoelements zur Erzeugung der Antriebsleistung zur Verfügung. Die Antriebseinheit umfasst bevorzugt einen Piezostapelantrieb. Die Antriebseinheit kann beispielsweise einen Stapel mit einer Piezoeinheit mit mindestens einem Piezoelement, sowie im Stapel oberhalb und/oder unterhalb der Piezoeinheit jeweils eine Anpassungskeramik zur Angleichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. An die mindestens eine Anpassungskeramik kann ein Druckstück angrenzen. Bevorzugt sind Elektroden zur Kontaktierung des mindestens einen Piezoelements vorgesehen. Vorzugsweise sind die Elektroden mit den elektrischen Anschlussleitungen kontaktiert, bevorzugt verpresst. Bevorzugt umfassen die elektrischen Anschlussleitungen zu diesem Zweck Kontakte, etwa Steckkontakte. Die Kontakte können crimpbar sein.
Bevorzugt umfassen die Dreharretierungsmittel mindestens einen vorzugsweise parallel zur Hülsenachse verlaufenden Schlitz der Hülse und weiter bevorzugt mindestens einen in diesem Schlitz anordenbaren Vorsprung der Antriebseinheit. Auf diese Weise können die Dreharretierungsmittel besonders zuverlässig ausgeführt sein.
Mit dem Begriff „Schlitz" wird im Rahmen dieser Druckschrift jede längliche Vertiefung bezeichnet, beispielsweise also auch die Vertiefung einer etwaigen Nut der Hülse. Die Hülse kann, insbesondere auf der Innenseite ihrer Hülsenwand, mindestens eine vorzugsweise parallel zur Hülsenachse verlaufende Nut aufweisen und der Schlitz kann als Vertiefung dieser Nut ausgeführt sein.
Bevorzugt ist der mindestens eine Schlitz als eine die Hülsenwand in radialer Richtung der Hülse vollständig durchgreifende Aussparung der Hülse ausgebildet.
Wenn die Dreharretierungsmittel zwei radial gegenüberliegende Schlitze der Hülse umfassen und zwei jeweils in einem dieser Schlitze anordenbare Vorsprünge der Antriebseinheit, dann ist eine Voraussetzung für eine besonders belastbare und zuverlässige Dreharretierung geschaffen.
Eine zumindest weitestgehend spielfreie Dreharretierung kann geschaffen sein, wenn der mindestens eine Vorsprung korrespondierend zu dem zugehörigen Schlitz ausgeführt ist.
Die Dreharretierung kann besonders belastbar sein, wenn der mindestens eine Schlitz schwalbenschwanzförmig ausgeführt ist und bevorzugt der mindestens eine Vorsprung ebenfalls schwalbenschwanzförmig ausgeführt ist. Die Schlitze und/oder Vorsprünge können spiegelsymmetrisch zueinander ausgeführt sein, vorzugsweise bezogen auf eine die Hülsenachse umfassende Ebene.
Es können anstelle von einem Schlitz oder zwei Schlitzen auch drei, vier, fünf, sechs oder mehr Schlitze und eine entsprechende Anzahl an Vorsprüngen vorgesehen sein.
Die Schlitze können voneinander abweichende Größe und/oder Form aufweisen und die Vorsprünge können korrespondierend hierzu ausgeführt sein, sodass die Antriebseinheit in genau einer Rotationslage relativ zur Hülse in dieser anordenbar ist, die Ausrichtung der Antriebseinheit in der Hülse also vorgegeben ist. Hierdurch kann die Montage erleichtert sein.
Eine weitere Reduzierung der Belastung der Antriebseinheit bei der Montage in den Vibrationssensor kann erreicht werden, wenn die Anschlussleitungen in dem mindestens einen Vorsprung geführt sind. Hierdurch kann ein Abknicken der Anschlussleitungen insbesondere an ihren Kontakten vermieden werden. Bevorzugt sind die Anschlussleitungen in dem mindestens einen Vorsprung zugentlastend geführt, beispielsweise verklebt.
Bevorzugt weist die Hülse einen Spannabschnitt auf, zum Positionieren der Antriebseinheit relativ zu - und bevorzugt in - der zylindrischen Hülse bzw. zum Verspannen der Antriebseinheit gegen die Membran. Bevorzugt weist der Spannabschnitt die Form einer Gewindebohrung mit einem Innengewinde auf. Vorzugsweise erstreckt sich der mindestens eine Schlitz der Hülse auch in den Spannabschnitt, vorzugsweise über dessen gesamte axiale Erstreckung. Das Innengewinde des Spannabschnitts ist bevorzugt also durch den mindestens einen Schlitz geschlitzt, vorzugsweise vollständig, also über die gesamte axiale Erstreckung des Innengewindes.
Bevorzugt weist die Antriebseinheit einen - vorzugsweise zylindrischen - zentralen Bereich auf, in dem mindestens ein Piezoelement der Antriebseinheit angeordnet sein kann.
Bevorzugt grenzt an den Spannabschnitt ein Aufnahmeabschnitt der Hülse an. Bevorzugt dient der Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme des zentralen Bereichs der Antriebseinheit. Der Aufnahmeabschnitt ist bevorzugt zylindrisch. Der Durchmesser des Aufnahmeabschnitts kann größer sein als der Durchmesser der Gewindebohrung.
Bevorzugt umfasst die Baugruppe eine Spannschraube. Das Gewinde der Spannschraube ist bevorzugt ein korrespondierend zu dem Innengewinde des Spannabschnitts ausgebildetes Außengewinde. Bevorzugt ist die Spannschraube relativ zur Baugruppe drehbar. Die Spannschraube kann unverlierbar an der Baugruppe angeordnet sein.
Bevorzugt ist mittels des Spannabschnitts und weiter bevorzugt der Spannschraube eine Position der Antriebseinheit in der Hülse in Richtung der Hülsenachse festlegbar und weiter bevorzugt auf diese Weise, bei an der Membran befestigter Hülse, die Antriebseinheit gegen die Membran verspannbar. Besonders bevorzugt ist die Antriebseinheit mittels des Spannabschnitts und der Spannschraube in verschiedenen Positionen relativ zu der Hülse positionierbar, vorzugsweise stufenlos. Die Spannschraube kann als Stiftschraube ausgeführt sein. Die Spannschraube ist bevorzugt massiv, weist also bevorzugt keine Durchbrechungen, etwa für elektrische Leitungen, auf. Die Spannschraube kann daher als Antrieb bzw. als Betätigungsfläche eine innenliegende Betätigungsöffnung wie beispielsweise einen Innensechskant aufweisen.
Vorzugsweise erlaubt der Spannabschnitt ein Einstellen einer Vorspannkraft der Antriebseinheit. Hiermit ist insbesondere die Kraft gemeint, mit der Bestandteile des Piezostapelantriebs für eine ordnungsgemäße Funktion dieses Piezostapelan- triebs aneinander gepresst sein müssen. Bevorzugt ist mittels des Spannabschnitts und der Spannschraube eine vorbekannte Vorspannkraft der Antriebseinheit erzeugbar.
Besonders bevorzugt ist zwischen der Spannschraube und der Antriebseinheit ein Axiallager ausgebildet. Bevorzugt ist das Axiallager ein Axial-Gleitlager. Bevorzugt ist das Axiallager ausgebildet, indem die Antriebseinheit eine Gleitfläche bereitstellt und die Spannschraube eine hierzu korrespondierende Stirnfläche bereitstellt. Die Gleitfläche der Antriebseinheit und die Stirnfläche können eben sein. Es können Zentriermittel vorgesehen sein, zur Zentrierung der Stirnfläche der Spannschraube relativ zur Gleitfläche der Antriebseinheit. Die Zentriermittel können einen umlaufenden Vorsprung oder mehrere nicht umlaufende Vorsprünge am Umfang der Gleitfläche der Antriebseinheit oder am Umfang der Stirnfläche der Spannschraube umfassen.
Bevorzugt weist die Hülse eine Einführöffnung auf, durch die die Antriebseinheit in die Hülse einführbar ist. Bevorzugt weist die Hülse nur genau eine Einführöffnung auf. Die Antriebseinheit kann also bevorzugt nicht von beiden Seiten in die Hülse eingeführt werden, sondern nur von einer.
Bevorzugt weist die Hülse eine vorzugsweise der Einführöffnung gegenüberliegende Kontaktöffnung auf, mittels der die Membran durch die Antriebseinheit mechanisch kontaktierbar ist.
Bevorzugt weist die Hülse einen Ringabschnitt auf, der vorzugsweise geschlossen, also nicht unterbrochen ist. Bevorzugt grenzt der mindestens eine Schlitz an den Ringabschnitt an. Bei mehreren Schlitzen grenzen bevorzugt alle Schlitze an den Ringabschnitt an. Hierdurch können mehrere Vorteile erreicht werden. Zum einen kann die Stabilität der Hülse gesteigert werden und kann sichergestellt sein, dass auch bei mehreren Schlitzen die Hülse, etwa während der Montage in den Vibrationssensor, nicht auseinanderfällt. Der Ringabschnitt kann an einem axialen Endbereich der Hülse angeordnet sein, vorzugsweise gegenüberliegend der Einführöffnung. Der Ringabschnitt kann ein Einführen der Antriebseinheit durch den Ringabschnitt verhindern, etwa indem seine Öffnung zu klein für ein Hindurchführen der Antriebseinheit mit ihrem mindestens einen Vorsprung ist. Hierdurch kann der Ringabschnitt besonders belastbar ausgeführt sein. Vorzugsweise verhindert der Ringabschnitt zwar ein Einführen der Antriebseinheit durch den Ringabschnitt, erlaubt aber eine mechanische Kontaktierung der Membran durch die Antriebseinheit durch seine Öffnung. Bevorzugt ist die Öffnung des Ringabschnitts die Kontaktöffnung der Hülse.
Die Einführöffnung ist vorzugsweise gegenüberliegend von dem Ringabschnitt angeordnet.
Bevorzugt erstreckt sich der mindestens eine Schlitz auf der Seite der Einführöffnung der Hülse in axialer Richtung durch die gesamte Hülsenwand. Auf der Seite der Einführöffnung hat die Hülse bevorzugt die Form eines durch den mindestens einen Schlitz unterbrochenen Rings.
Vorzugsweise weist die Hülse einen Befestigungsabschnitt auf, zur Befestigung der Hülse - bevorzugt mittelbar oder unmittelbar - an der Membran bzw. einem an der Membran angeordneten Rand. Bevorzugt umfasst der Befestigungsabschnitt den Ringabschnitt der Hülse. Vorzugsweise umfasst der Befestigungsabschnitt einen in Radialrichtung der Hülse von dieser nach außen vorspringenden Steg. Bevorzugt ist der Steg ganz oder teilweise umlaufend.
Alternativ zu dem geschlossenen Ringabschnitt der Hülse kann der Ringabschnitt „C"-förmig sein, also genau eine Öffnung bzw. Unterbrechung aufweisen, die von dem Schlitz oder einem der Schlitze gebildet sein kann. Es kann mindestens ein Schlitz in axialer Richtung der Hülse nicht nur auf einer Seite der Hülse, sondern vollständig durchgehend durch die Hülsenwand ausgebildet sein. Bevorzugt kann die Hülse dann, ähnlich wie ein Sprengring, zum Einsetzen in den Vibrationssensor elastisch verformt, insbesondere zusammengedrückt werden und sich nach Erreichen der Montagelage in dem Vibrationssensor zurückverformen, insbesondere entspannen, vorzugsweise unter Ausbildung einer axialen Fixierung in dem Vibrationssensor. Beispielsweise kann bei dem Zurückverformen der Steg des Befestigungsabschnitts der Hülse in eine Vertiefung, beispielsweise Ringnut, des Vibrationssensors eingreifen. Die Vertiefung kann an dem an der Membran angeordneten Rand ausgebildet sein. Die Spannschraube kann im eingedrehten Zustand ein erneutes Zusammendrücken und damit Lösen der Hülse verhindern.
Die Hülse kann an dem Vibrationssensor mit einem Bajonettverschluss befestigt sein. Dieser kann zwischen dem Befestigungsabschnitt der Hülse und beispielsweise dem an der Membran angeordneten Rand ausgebildet sein. Der Bajonettverschluss kann eine Vertiefung, beispielsweise Ringnut, des Vibrationssensors, insbesondere des an der Membran angeordneten Rands umfassen.
Die Baugruppe kann eine Verdrehsicherung aufweisen, die mit der Membran oder einem mit der Membran verbundenen Element derart zusammenwirkt, dass ein Verdrehen der Baugruppe relativ zur Membran begrenzt, vorzugsweise verhindert wird. Die Verdrehsicherung kann als Ausnehmung oder als Vorsprung in dem Steg der Hülse und hierzu korrespondierende Ausnehmung bzw. Vorsprung des Vibrationssensors ausgebildet sein. Die Verdrehsicherung kann als Montagehilfe ausgebildet sein. Sie kann die Rotationslage, in der die Hülse relativ zur Membran montiert werden kann, vorgeben.
Bevorzugt ist die Antriebseinheit - vorzugsweise mittels der Dreharretierungsmittel - in der Hülse so anordenbar, dass sie in Radialrichtung der Hülse formschlüssig in der Hülse fixiert ist. Hierdurch ist die korrekte radiale Position der Antriebseinheit in der Hülse vorgegeben und die Fehleranfälligkeit der Montage weiter reduziert. Die formschlüssige Anordenbarkeit der Antriebseinheit in Radialrichtung der Hülse in der Hülse kann ausschließlich oder teilweise durch das Zusammenwirken des mindestens einen Vorsprungs mit dem mindestens einen Schlitz bewirkt sein.
Der Formschluss in Radialrichtung der Hülse kann beispielsweise durch die Schwalbenschwanzform zweier gegenüberliegender Schlitze und korrespondierend hierzu ausgeführte Vorsprünge erzielt sein. Die Antriebseinheit kann - vorzugsweise mittels der Dreharretierungsmittel - in der Hülse selbstzentrierend anordenbar sein. Bevorzugt können die Dreharretierungsmittel in dieser Ausführungsform auch als Dreharretierungs- und Zentriermittel bezeichnet werden.
Der erfindungsgemäße Vibrationssensor umfasst eine in Schwingung versetzbare Membran und bevorzugt ein Anschlussteil. Zudem umfasst der erfindungsgemäße Vibrationssensor eine Baugruppe gemäß der vorstehenden Beschreibung mit einer Antriebseinheit und einer Hülse. Die Antriebseinheit ist mittels der Hülse gegen die Membran verspannt. Der Vibrationssensor kann ein Grenzstandsensor sein.
Bevorzugt ist die Hülse mittelbar oder unmittelbar an der Membran befestigt. Vorzugsweise ist an der Membran, bevorzugt rückseitig der Membran, ein Rand angeordnet. „Rückseitig der Membran" bedeutet im Rahmen dieser Druckschrift auf der der mechanischen Schwingungseinheit gegenüberliegenden Seite der Membran. Der Rand kann außenseitig um die Membran umlaufend sein. Er kann sich senkrecht zu einer Membranebene erstrecken und ist vorzugsweise stegförmig ausgebildet. Der Rand kann einstückig mit der Membran sein. Die Hülse kann, bevorzugt mit ihrem Steg, an diesem Rand befestigt sein.
Wenn die Hülse an der Membran befestigt ist, dann weist die Einführöffnung der Hülse bevorzugt von der Membran weg, vorzugsweise derart, dass die Antriebseinheit auch dann in die Hülse eingeführt werden kann, wenn die Hülse bereits an der Membran befestigt ist.
Bevorzugt ist die Hülse mittels ihres Stegs in dem Vibrationssensor fixiert, vorzugsweise ausschließlich. Bevorzugt ist der Steg der Hülse in Axial- und/oder Radialrichtung der Hülse form- und/oder kraftschlüssig in dem Vibrationssensor fixiert. Der Steg kann stoffschlüssig in dem Vibrationssensor fixiert sein, etwa verschweißt.
Das Anschlussteil des Vibrationssensors ist bevorzugt rückseitig der Membran angeordnet und weiter bevorzugt an der Membran befestigt. Das Anschlussteil kann rohrförmig sein. Das Anschlussteil kann Teil eines Sensorgehäuses und/oder einer Sensorverlängerung sein. Das Anschlussteil kann mit dem an der Membran angeordneten Rand verbunden sein. Das Anschlussteil kann stoffschlüssig mit der Membran und/oder dem an der Membran angeordneten Rand verbunden, etwa verschweißt sein.
Bevorzugt ist die Hülse, insbesondere ihr Steg, zwischen dem Anschlussteil und der Membran bzw. dem an der Membran angeordneten Rand fixiert. Bevorzugt weist das Anschlussteil und/oder die Membran bzw. der an der Membran angeordnete Rand eine Stufe auf und weiter bevorzugt ist radial außerhalb dieser Stufe ein - bevorzugt ringförmiger - Kontaktbereich zwischen dem Anschlussteil und der Membran, bzw. dem an der Membran angeordneten Rand, vorgesehen. Die Stufe kann bei miteinander verbundenem Anschlussteil und Membran bzw. an der Membran angeordnetem Rand eine Vertiefung, beispielsweise Ringnut, bereitstellen, in der bevorzugt der Steg angeordnet ist. Bevorzugt ist axial einseitig oder beidseitig an die Stufe angrenzend eine Hinterschneidung von dem Anschlussteil und/oder der Membran bzw. dem an der Membran angeordneten Rand ausgebildet. Bevorzugt wird die Hinterschneidung von dem Steg der Hülse hintergriffen.
Bevorzugt ist der Steg der Hülse zwischen dem Anschlussteil und der Membran bzw. dem an der Membran angeordneten Rand anordenbar, bevor das Anschlussteil mit der Membran und/oder dem an der Membran angeordneten Rand verbunden wird. Durch diese Verbindung kann die Fixierung der Hülse in dem Vibrationssensor erfolgen, etwa durch Einklemmen des Stegs der Hülse zwischen dem an der Membran angeordneten Rand und dem Anschlussteil.
Bei einer stoffschlüssigen Verbindung, etwa Verschweißen, zwischen dem Anschlussteil und der Membran bzw. dem an der Membran angeordneten Rand, kann diese stoffschlüssige Verbindung auch den Steg der Hülse einbeziehen. Der Steg kann also beispielsweise bei einem Verschweißen von Anschlussteil und an der Membran angeordnetem Rand mitverschweißt sein.
Insbesondere in der Ausführungsform mit „C"-förmigem Ringabschnitt oder Bajonettverschluss kann die Membran bzw. der an der Membran angeordnete Rand selbst einen Hinterschnitt aufweisen, bzw. eine Vertiefung, insbesondere Ringnut, zur Fixierung der Hülse in dem Vibrationssensor ohne Beteiligung eines Anschlussteils.
Die Membran kann rückseitig einen Kontaktvorsprung aufweisen, zur mechanischen Kontaktierung der Antriebseinheit. Der Kontaktvorsprung kann mittig bezogen auf die Membran und/oder mittig zwischen Zinken der Schwinggabel angeordnet sein. Der Kontaktvorsprung kann beispielsweise kugelkappenförmig oder zylindrisch sein.
Die Vorspannkraft der Antriebseinheit und die Kraft, mit der die Antriebseinheit gegen die Membran verspannt ist, ist bevorzugt durch dasselbe Element oder dieselben Elemente - vorzugsweise den Spannabschnitt und die Spannschraube - bewirkt. Auf diese Weise kann der Arbeitsschritt des separaten Erzeugens der Vorspannkraft vor dem Erzeugen der Kraft, mit der die Antriebseinheit gegen die Membran gepresst wird, entfallen.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren arbeitet die Antriebseinheit oft auf Zug und überträgt - beispielsweise über einen an die Membran angeformten Spannbolzen - Zugkräfte auf die Membran. Auch eine auf Zug arbeitende Antriebseinheit kann im Rahmen der Erfindung liegen. Bevorzugt arbeitet die Antriebseinheit dagegen auf Druck. Vorzugsweise ist von der Antriebseinheit eine Druckkraft in die Membran einleitbar, vorzugsweise mittig, so dass diese aus Sensorsicht in Axialrichtung nach außen verformt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden einer Antriebseinheit mit einer Membran eines Vibrationssensors weist folgende Schritte auf:
- translatorisches Einführen der Antriebseinheit - bevorzugt durch die Einführöffnung - in eine an der Membran mittelbar oder unmittelbar befestigten Hülse und - bevorzugt gleichzeitiges - Bewirken einer, bevorzugt formschlüssig wirkenden, Dreharretierung zwischen der Antriebseinheit und der Hülse, bevorzugt mit Dreharretierungsmitteln,
- Einschrauben einer Spannschraube in einen Spannabschnitt der Hülse, - Verbinden der Antriebseinheit mit der Membran durch Verspannen der Antriebseinheit gegen die Membran mittels der Spannschraube, bevorzugt unter gleichzeitiger Erzeugung einer vorbekannten erforderlichen Vorspannkraft in der Antriebseinheit. Bevorzugt erfolgt das Verspannen mittels eines zwischen der Spannschraube und der Antriebseinheit ausgebildeten Axiallagers.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Montage vereinfacht und eine Belastung der Antriebseinheit reduziert. Bevorzugt wird die Antriebseinheit während des Verfahrens nicht relativ zur Hülse gedreht.
Das Einschrauben der Spannschraube erfolgt bevorzugt nach dem Bewirken der Dreharretierung.
Bevorzugt gehen diesen Verfahrensschritten einer oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte voraus:
- Zur Verfügung stellen eines Anschlussteils,
- Erhitzen des Anschlussteils und/oder der Membran und/oder der Hülse beispielsweise zur oder während einer Beschichtung,
- Kühlen oder abkühlen lassen des Anschlussteils bzw. der Membran bzw. der Hülse,
- Anordnen, bevorzugt Einklemmen, des Stegs der Hülse zwischen dem Anschlussteil und der Membran bzw. einem an der Membran angeordneten Rand,
- Verbinden des Anschlussteils mit der Membran bzw. dem an der Membran angeordneten Rand, etwa durch Verschweißen.
Durch eine derartige nachträgliche Montage kann die Antriebseinheit vor hohen Belastungen wie z.B. thermischer Belastung bei Beschichtungsprozessen bewahrt werden. Das Erhitzen und Kühlen oder abkühlen lassen kann auch nach dem Verbinden des Anschlussteils mit der Membran erfolgen. Alle im Rahmen dieser Druckschrift beschriebenen Merkmale können mit der beanspruchten Baugruppe, dem beanspruchten Vibrationssensor und dem beanspruchten Verfahren kombinierbar sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Baugruppe in auseinandergezogener Darstellung,
Fig. 2 eine zusammengesetzte Darstellung der Baugruppe aus Fig. 1,
Fig. 3 ohne Antriebseinheit: einen Längsschnitt durch eine Membran, die Hülse der Baugruppe aus Fig. 1 und ein an der Membran befestigtes Anschlussteil,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Vibrationssensor gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).
In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.
Wie etwa Fig. 1 zeigt, umfasst das gezeigte Ausführungsbeispiel einer Baugruppe 9 eine Antriebseinheit 1 und eine zylindrische Hülse 10. Die Hülse 10 dient zum Verbinden der Antriebseinheit 1 mit einer Membran 90 (siehe Fig. 3) eines Vibrationssensors, genauer gesagt zum Verspannen der elektrische Anschlussleitungen 31 aufweisenden Antriebseinheit 1 gegen die Membran 90. Zur Reduzierung der Belastung der Antriebseinheit 1 während der Montage in den Vibrationssensor weist die Baugruppe 9 formschlüssig wirkende Dreharretierungsmittel 40 auf, zur Dreharretierung der Antriebseinheit 1 relativ zu der zylindrischen Hülse 10.
Die Antriebseinheit 1 umfasst bevorzugt einen Piezostapelantrieb 11. Sie weist genauer gesagt einen Stapel mit einer Piezoeinheit mit mindestens einem Piezoe- lement in Form einer vollflächigen Scheibe, sowie im Stapel oberhalb und/oder unterhalb der Piezoeinheit jeweils eine Anpassungskeramik zur Angleichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf (in den Fig. 1 bis 3 nicht im Einzelnen dargestellt).
Wie am besten die Fig. 1 und 2 zeigen, umfassen die Dreharretierungsmittel 40 zwei parallel zur Hülsenachse verlaufende, radial einander gegenüberliegende Schlitze 42, 42 ' der Hülse 10 und zwei korrespondierend zu diesen Schlitzen 42, 42 ' ausgeführte Vorsprünge 44, 44 ' der Antriebseinheit 1, die in diesen Schlitzen 42, 42 ' anordenbar sind. Die Schlitze 42, 42 ' und die Vorsprünge 44, 44 ' sind schwalbenschwanzförmig ausgeführt. Die Schlitze 42, 42 ' und die Vorsprünge 44, 44 ' sind, bezogen auf eine die Hülsenachse umfassende Ebene, jeweils spiegelsymmetrisch zueinander.
Wie etwa die Fig. 1 und 2 zeigen, sind die Anschlussleitungen 31 in den beiden Vorsprüngen 44, 44 ' geführt.
Wie am besten in Fig. 3 zu erkennen ist, weist die Hülse 10 einen Spannabschnitt 25 auf. Dieser ist als durch die Schlitze 42, 42 ' der Hülse zweifach geschlitztes Innengewinde 27 ausgeführt, wobei sich die Schlitze 42, 42 ' jeweils über die gesamte axiale Erstreckung des Spannabschnitts 25 erstrecken.
Die Baugruppe 9 umfasst auch eine Spannschraube 35, mit einem korrespondierend zu dem Innengewinde 27 des Spannabschnitts 25 ausgebildeten Außengewinde 99 (siehe Fig. 1).
Mittels des Spannabschnitts 25 und der Spannschraube 35 ist eine Position der Antriebseinheit 1 in der Hülse 10 in Axialrichtung A der Hülse festlegbar und auf diese Weise, bei an der Membran 90 befestigter Hülse 10, die Antriebseinheit 1 gegen die Membran 90 verspannbar und gleichzeitig eine vorbekannte Vorspannkraft der Antriebseinheit 1 in der Antriebseinheit 1 erzeugbar.
Zwischen der Spannschraube 35 und der Antriebseinheit 1 ist ein Axiallager 60 als Axial-Gleitlager ausgebildet, indem die Antriebseinheit 1 eine ebene Gleitfläche bereitstellt, und die Spannschraube 35 eine hierzu korrespondierende ebene Stirnfläche bereitstellt. An den Spannabschnitt 25 der Hülse 10 grenzt ein zylindrischer Aufnahmeabschnitt 29 der Hülse 10 an, zur Aufnahme eines zentralen Bereichs 3 der Antriebseinheit 1. Der Aufnahmeabschnitt 29 ist zylindrisch. Der Durchmesser des Aufnahmeabschnitts 29 ist größer als der Durchmesser der Gewindebohrung, siehe etwa Fig. 3. Der eine Selbstzentrierung der Antriebseinheit 1 in der Hülse 10 bewirkende Formschluss der Antriebseinheit 1 in der Hülse 10 in radialer Richtung der Hülse ist im gezeigten Ausführungsbeispiel daher ausschließlich durch das Zusammenwirken der Vorsprünge 44, 44 ' mit den Schlitzen 42, 42 ' bewirkt.
Der Doppelpfeil A in den Fig. 1 bis 3 zeigt neben der Axialrichtung A der Hülse auch die Lage der Hülsenachse.
Wie etwa aus Fig. 1 hervorgeht, grenzen die beiden Schlitze 42, 42 ' an einen geschlossenen Ringabschnitt 65 der Hülse 10 an, der in einem axialen Endbereich der Hülse 10 angeordnet ist. Der geschlossene Ringabschnitt 65 verhindert ein Einführen der Antriebseinheit 1 durch den geschlossenen Ringabschnitt 65, da seine die Kontaktöffnung der Hülse 10 bildende Öffnung 67 zu klein für ein Hindurchführen der Antriebseinheit 1 mit ihren Vorsprüngen 44, 44 ' ist.
Die Hülse 10 weist genau eine Einführöffnung 14 gegenüberliegend von dem geschlossenen Ringabschnitt 65 auf.
Die Hülse 10 weist einen Befestigungsabschnitt 12 auf, zur Befestigung der Hülse 10 unmittelbar an einem an der Membran 90 einstückig angeordneten Rand 93. Der Rand 93 ist um die Membran 90 umlaufend. Der Rand 93 erstreckt sich senkrecht zu einer Membranebene und ist stegförmig ausgebildet. Der Befestigungsabschnitt 12 umfasst den geschlossenen Ringabschnitt 65 der Hülse 10 und weist einen in Radialrichtung der Hülse 10 von dieser nach außen vorspringenden Steg 21 auf, der ganz umläuft.
Wenn die Hülse 10 an der Membran 90 befestigt ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, dann weist die Einführöffnung 14 von der Membran 90 weg, so dass die Antriebseinheit 1 auch dann noch und beispielsweise nach einem thermisch belastenden Beschichtungsvorgang von Membran, Anschlussteil und/oder Hülse in die Hülse 10 eingeführt werden kann. Die Membran 90 weist rückseitig einen mittigen Kontaktvorsprung 97 in Form einer zylindrischen Anformung auf, zur mechanischen Kontaktierung der Antriebseinheit 1. Der Kontaktvorsprung kann auch kugelkappenförmig sein.
Wie beispielsweise aus einer Zusammenschau der Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist die Antriebseinheit 1 in der Hülse 10 so anordenbar, dass sie in Radialrichtung R der Hülse 10 formschlüssig in der Hülse 10 fixiert ist.
In dem in den Figuren 1 bis 3 jeweils teilweise dargestellten Vibrationssensor ist die Antriebseinheit 1 gegen die Membran 90 verspannt (nicht dargestellt). Die Hülse 10 ist ausschließlich mittels ihres Stegs 21 in dem Vibrationssensor fixiert. Der Steg 21 der Hülse ist in Axialrichtung A und Radialrichtung R der Hülse form- und kraftschlüssig in dem Vibrationssensor fixiert.
Der Vibrationssensor umfasst ein rückseitig der Membran 90 angeordnetes rohrförmiges Anschlussteil 80 und der Steg 21 der Hülse ist zwischen dem Anschlussteil 80 und dem Rand 93 fixiert. Das Anschlussteil 80 und der Rand 93 weisen jeweils eine Stufe 94 zur Aufnahme bzw. zum Einklemmen des Stegs 21 auf und radial außerhalb dieser Stufe 94 ist ein ringförmiger Kontaktbereich 95 zwischen dem Anschlussteil 80 und dem Rand 93 vorgesehen in dem das Anschlussteil 80 und der Rand 93 miteinander und/oder mit dem Steg 21 verschweißt sein können.
Die Vorspannkraft der Antriebseinheit 1 ist durch dieselben Elemente bewirkt wie die Kraft, mit der die Antriebseinheit 1 gegen die Membran 90 verspannt ist, nämlich durch den Spannabschnitt 25 und die Spannschraube 35.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist an der Membran 90 vorderseitig einstückig mit der Membran eine mechanische Schwingungseinheit 7 angeordnet, in Form einer Schwinggabel. Bezugszeichenliste
I Antriebseinheit
3 zentraler Bereich der Antriebseinheit
7 mechanische Schwingungseinheit
9 Baugruppe
10 Hülse
II Piezostapelantrieb
12 Befestigungsabschnitt
14 Einführöffnung
15 Piezoelement
16 Elektroden
17 Anpassungskeramik
19 Druckstück
21 Steg
25 Spannabschnitt
27 Innengewinde
29 Aufnahmeabschnitt
31 Anschlussleitungen
35 Spannschraube
40 Dreharretierungsmittel
42, 42 ' Schlitze
44, 44 ' Vorsprünge
60 Axiallager
65 Ringabschnitt
67 Öffnung
80 Anschlussteil
89 Isolierelement
90 Membran
91 Spannbolzen
92 Spannmutter
93 Rand
94 Stufe
95 Kontaktbereich
97 Kontaktvorsprung
98 Sensorgehäuse 99 Außengewinde
100 Vibrationssensor
A Axialrichtung
R Radialrichtung

Claims

Patentansprüche Baugruppe (9) mit einer Anschlussleitungen (31) aufweisenden Antriebseinheit (1) und einer Hülse (10), zum Verbinden der Antriebseinheit (1) mit einer Membran (90) eines Vibrationssensors, derart, dass Schwingungen der Antriebseinheit (1) auf die Membran (90) und Schwingungen der Membran (90) auf die Antriebseinheit (1) übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (9) Dreharretierungsmittel (40) aufweist, zur Dreharretierung der Antriebseinheit (1) relativ zu der Hülse (10). Baugruppe (9) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreharretierungsmittel (40) mindestens einen Schlitz (42, 42 ') der Hülse (10) umfassen und mindestens einen in diesem Schlitz (42, 42 ') anordenbaren Vorsprung (44, 44 ') der Antriebseinheit (1). Baugruppe (9) gemäß Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreharretierungsmittel (40) zwei radial gegenüberliegende Schlitze (42, 42 ') der Hülse (10) umfassen und zwei jeweils in einem der Schlitze (42, 42 ') anordenbare Vorsprünge (44, 44 ') der Antriebseinheit (1). Baugruppe (9) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitungen (31) in dem mindestens einen Vorsprung (44, 44 ') geführt sind. Baugruppe (9) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (10) einen Spannabschnitt (25) aufweist, zum Verspannen der Antriebseinheit (1) gegen die Membran (90) und der Spannabschnitt (25) ein durch den mindestens einen Schlitz (42, 42 ') geschlitztes Innengewinde (27) umfasst. Baugruppe (9) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (9) eine Spannschraube (35) umfasst, mit einem korrespondierend zu dem Innengewinde (27) ausgebildeten Außengewinde (99) und zwischen der Spannschraube (35) und der Antriebseinheit (1) ein Axiallager (60) ausgebildet ist. Baugruppe (9) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schlitz (42, 42 ') an einen geschlossenen Ringab- schnitt (65) der Hülse (10) angrenzt und die Hülse (10) einen Befestigungsabschnitt (12) aufweist, zur Befestigung der Hülse (10) an der Membran (90) und der Befestigungsabschnitt (12) den geschlossenen Ringabschnitt (65) der Hülse (10) umfasst und der Befestigungsabschnitt (12) einen sich in Radialrichtung erstreckenden Steg (21) umfasst. Baugruppe (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) in der Hülse (10) so anordenbar ist, dass sie in Radialrichtung (R) der Hülse (10) formschlüssig in der Hülse (10) fixiert ist. Vibrationssensor, mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (90) und einer Baugruppe (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist. ibrationssensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationssensor ein Anschlussteil (80) umfasst und die Hülse (10) zwischen dem Anschlussteil (80) und der Membran (90) fixiert ist. Vibrationssensor gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) einen Piezostapelantrieb (11) umfasst und die Vorspannkraft der Antriebseinheit (1) und die Kraft, mit der die Antriebseinheit (1) gegen die Membran (90) verspannt ist, durch dieselben Elemente bewirkt ist. 12. erfahren zum Verbinden einer Antriebseinheit (1) mit einer Membran
(90) eines Vibrationssensors mit folgenden Schritten:
- translatorisches Einführen der Antriebseinheit (1) in eine an der Membran (90) mittelbar oder unmittelbar befestigten Hülse (10) und Bewirken einer Dreharretierung zwischen der Antriebseinheit (1) und der Hülse (10), - Einschrauben einer Spannschraube (35) in einen Spannabschnitt (25) der Hülse
- Verbinden der Antriebseinheit (1) mit der Membran (90) durch Verspannen der Antriebseinheit (1) gegen die Membran (90) mittels der Spannschraube (35).
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