JP2003532886A - 容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視する装置 - Google Patents

容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視する装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視するための装置に関する。本発明による装置には、ダイヤフラム(5)に固定され、所定の充填レベルに取り付けられている可振動ユニット(2)と、ダイヤフラム(5)及び可振動ユニット(2)を所定の振動周波数でもって振動させ、可振動ユニット(2)の振動を受信する送信/受信ユニット(6)と、所定の周波数変化が生じると直ぐに所定の充填レベルをに達したことを識別し、ないし可振動ユニット(2)の振動周波数に基づいて充填物の濃度を算出する制御/評価ユニット(10)とが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、所定の充填レベルの高さに取り付けられている、ないし一定の浸入
深さまで媒体に浸入するように取り付けられている、ダイヤフラムに固定された
可振動ユニットと、ダイヤフラム及び可振動ユニットに所定の励振周波数でもっ
て振動を励起させ、可振動ユニットの振動を受信する送信/受信ユニットと、所
定の周波数変化が生じると直ぐに所定の充填レベルへの到達を識別する、ないし
可振動ユニットの振動周波数に基づいて媒体の濃度を検出する制御/評価ユニッ
トとが設けられている、容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視する
、ないし容器内の媒体の濃度を検出する装置に関する。
【0002】 容器内の充填物の充填レベルを検出ないし監視するための、少なくとも1つの
振動素子、いわゆる振動検出器を備えた装置が既に公知となっている。振動素子
は通常の場合少なくとも1つの振動ロッドであり、この振動ロッドはダイヤフラ
ムに固定されている。ダイヤフラムは電気機械的な変換器、例えば圧電素子によ
って振動が励起される。ダイヤフラムの振動に基づいてダイヤフラムに固定され
た振動素子も振動する。
【0003】 充填レベル測定装置として構成された振動検出器は、振動周波数及び振動振幅
が振動素子のその都度の覆われている状態に依存するという作用を利用する。振
動素子は空気中において自由に且つ不減衰に振動できるが、振動素子は部分的ま
たは完全に充填物に浸入すると直ぐに周波数及び振幅が変化する。したがって所
定の周波数変化に基づいて(通常は周波数が測定される)、容器内の充填物が所
定の充填レベルに達したことを一義的に推定することができる。充填レベル測定
装置は殊に越流に対する安全装置として、またはポンプの漏れを保護することを
目的として使用される。
【0004】 それに加え振動素子の振動の減衰は、充填物のその都度の濃度によっても影響
される。したがって覆われている度合いが一定であれば、媒体の濃度との関数的
な関係が生じるので、振動検出器は充填レベルの検出にも濃度検出にも非常に適
している。実際には、容器内の充填物の充填レベルないし濃度を監視及び識別す
るためにダイヤフラムの振動が受信され、少なくとも1つの圧電素子を用いて電
気的な受信信号へと変換される。電気的な受信信号は引き続き評価電子機構によ
って評価される。充填レベルを検出する場合には、評価電子機構は振動素子の振
動周波数及び/又は振動振幅を監視し、測定値が所定の基準値を下回るまたは上
回ると直ぐに、状態「センサは覆われている」ないし「センサは覆われていない
」を通知する。操作者には光学的及び/又は音響的なやり方で相応に通知するこ
とができる。択一的または付加的に切替過程がトリガされる。すなわち容器にお
ける流入弁または排出弁が開放または閉鎖される。
【0005】 EP 0 985 916 A1から送信/受信ユニットの殊に有利な変形が公知となってお
り、この送信/受信ユニットを介して一方では振動検出器のダイヤフラムは振動
が励起され、またこの送信/受信ユニットを介して他方ではダイヤフラムの振動
が受信され、電気信号に変換される。送信及び受信電極はそれぞれ実質的に半円
の形状を有し、またこれらの電極はディスク状の圧電素子の同一面に配置されて
いる。圧電素子自体は均等に分極されており、また円形の断面を有する。送信電
極と受信電極はダイヤフラム平面における軸について対称的に位置づけられてい
る。ここで軸は圧電素子の円形平面の対角線に対応する。
【0006】 圧電素子は、電極構造を備えるこの圧電素子の面とは反対側の面上に、近似的
に面全体にアース電極を備える。ダイヤフラム及び振動検出器のケーシングが導
電性である場合には、アース電極をダイヤフラムを介してケーシングと電気的に
接触すれば十分である。安全技術的な理由からダイヤフラムないしケーシングと
圧電素子との間に導電的な接続を生じさせることが許されない場合には、ダイヤ
フラムと圧電素子との間に絶縁層が配置されている。この場合アース電極は、電
極構造を備えた圧電素子の面上に配置されている接続電極を介して接地される。
【0007】 本発明の課題は、振動検出器の送信/受信ユニットを、干渉信号の影響が最小
化されるように改善することである。
【0008】 この課題は、送信/受信ユニットがディスク状の圧電素子であり、この圧電素
子の第1の面上には少なくとも2つの送信電極及び少なくとも2つの受信電極を
有する電極構造が設けられており、また第1の送信電極は第2の送信電極に、な
いし第1の受信電極は第2の受信電極にそれぞれ実質的に点対称に対置されてい
ることによって解決される。
【0009】 本発明の解決策は同様に多くの利点をもたらす。 1.圧電性のディスクを送信/受信ユニットとして使用することにより、振動検
出器における相応の所要面積を少なく見積もることができる。 2.ディスク状である圧電性の送信/受信ユニットは比較的容易に製造すること
ができる。 3.送信及び受信電極が対称的に配置されているので、2つの電極対のための接
続を問題なく交換することができる。したがって電極の誤った接触接続は排除さ
れている。 4.電気的な接触接続を簡単なやり方で一方の面から例えばリフロー法によって
行うことができる。何故ならば、送信/受信ユニットの電極及びこれと対になる
電極とが圧電素子の同一面に配置されているからである。
【0010】 本発明の装置の有利な実施形態によれば、送信/受信ユニットの送信電極及び
/又は受信電極は実質的に同形である。このことは、電極構造の対称的な構成か
ら生じる既に言及した利点を顧慮すると殊に有利である。
【0011】 さらに本発明による装置の有利な実施形態では、送信電極及び/又は受信電極
が90°の扇形の形状を有することが提案される。
【0012】 本発明による有利な変形によれば、第1の送信電極と第2の送信電極ないし第
1の受信電極と第2の受信電極は反対に分極されている。有利にはインバータが
使用され、このインバータは送信ユニットの2つの送信電極のうちの一方に印加
される送信信号を反転させる。さらには本発明の装置の有利な実施形態によれば
差動増幅器が設けられており、この差動増幅器の入力側には2つの受信電極にお
いて取り出された受信信号が印加される。この構成によって、コモンモード干渉
、例えばハムまたは外部の振動に対する干渉耐性を実質的に高めることができる
。従来公知の装置においてはコモンモード干渉は、電極内に導電分離を設けるこ
とによって排除されていた。本発明の解決策では導電分離に必要とされるトラン
スを完全に無くすことができ、このことは製造コストを大幅に削減することにな
る。
【0013】 本発明の装置の択一的な実施形態によれば、送信/受信ユニットの送信電極及
び受信電極は同相に分極されており、2つの送信電極及び2つの受信電極は相互
に点対称に配置されている。外部の振動に起因する可能性がある干渉信号は除去
される。何故ならばこれらの干渉信号は値的には同一であるが、しかしながら逆
の符号を有するからである。
【0014】 さらには本発明の装置の2つの変形に関しては、圧電素子には電極構造を備え
る第1の面とは反対側の第2の面上に、少なくとも部分的に導電層が設けられて
いる。この構成を同相に分極されている送信電極及び/又は受信電極においても
、逆相に分極されている送信電極及び/又は受信電極においても使用することが
できる。
【0015】 製造を容易にするために、殊に送信/受信ユニットを例えばリフロー法による
1つの作業ステップで接触接続できるようにするために、電極構造を備える圧電
素子の面上には接続電極が設けられており、この接続電極は少なくとも1つの領
域において、圧電素子の第2の面上のアース電極を形成する導電層と接続されて
いる。
【0016】 本発明の装置の有利な実施形態では、接続電極が帯状に構成されており、また
電極構造を備える圧電素子の面を有利には同一面積に二分する。
【0017】 本発明を以下図面に基づき詳細に説明する。ここで図1は、本発明の装置の概
略図である。図2aは、本発明の装置の第1の実施形態による、電極構造を備え
た圧電素子の第1の面の鳥瞰図である。図2bは、図2aに図示した圧電素子の
側面図である。図2cは、本発明の装置の第1の実施形態による、圧電素子の第
2の面の鳥瞰図である。図3は、本発明の装置の第1の実施形態による有利な電
極構造の鳥瞰図である。図4は、図2及び図3に図示した本発明の装置の実施形
態の電気的な接触接続の概略図である。図5aは、本発明の装置の第2の実施形
態による、電極構造を備えた圧電素子の第1の面の鳥瞰図である。図5bは、本
発明の装置の第2の実施形態による、導電層を備えた圧電素子の第2の面の鳥瞰
図である。図6は、図5a及び図5bに図示した本発明の装置の第2の実施形態
のブロック回路図である。
【0018】 図1には、容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視するための本発
明の装置1が概略図が示されている(この図1においては容器及び充填物は別個
には図示していない)。図1に図示した装置は、既に説明したように、容器内の
充填物の充填レベルを識別する以外に、容器内の充填物の濃度を検出するために
も適している。充填レベルを識別する場合には、可振動ユニット2が検出する限
界充填レベルに達したときにのみ充填物に浸入するか、ないし充填物に浸入しな
いのだが、この可振動ユニット2が濃度ρを監視ないし検出するためには継続的
に所定の浸入深さまで充填物に浸入している必要がある。容器は例えばタンクで
あるが、しかしながら充填物が流れるパイプであってもよい。
【0019】 装置1は実質的に円筒状のケーシングを有する。ケーシングの外周面にはねじ
7が設けられている。ねじ7は装置1を所定の充填レベルの高さに固定するため
に使用され、容器の相応の開口部に配置されている。勿論、他の形式によって固
定することも考えられ、例えばフランジを用いた固定形式も使用することができ
る。
【0020】 振動検出器1のケーシングの容器側端部は、その縁部に固定されたダイヤフラ
ム5によって閉鎖されており、ダイヤフラム5はその端部領域においてケーシン
グに懸架されている。ダイヤフラム5には容器へと突出する可振動ユニット2が
固定されている。図示した事例では可振動ユニット2は音叉の形状を有し、すな
わちダイヤフラム5に固定され且つ容器へと突出する、相互に間隔をおいた2つ
の振動ロッド3、4を有する。
【0021】 ダイヤフラム5は送信/受信ユニット6によって振動される。この際送信ユニ
ットはダイヤフラム5に所定の送信周波数でもって振動を励起させ、受信ユニッ
トは可振動ユニット2の応答信号を受信する。本発明の送信/受信ユニット6は
、後続の図面に関連させて更に詳細に説明される。ダイヤフラム5の振動に基づ
いて可振動ユニット2も振動するが、この際可振動ユニット2が充填物と接触し
、また充填物との質量結合が生じている場合と、可振動ユニット2が自由に且つ
充填物と接触せずに振動できる場合とでは振動周波数は異なる。
【0022】 圧電素子は分極方向に印加される電圧差に依存してその厚さが変化する。交流
電圧が印加される場合には、厚さは発振的に変化する。すなわち厚さが増大する
と圧電素子の直径は減少し、厚さが減少すると圧電素子の直径も相応に増大する
【0023】 圧電素子15のこの振動特性に基づいて、電圧差はケーシングに懸架されたダ
イヤフラム5を撓ませる。ダイヤフラム5に配置された可振動ユニット2の振動
ロッド3、4は、ダイヤフラム5の振動に基づいて長手軸に対して逆相に振動す
る。
【0024】 電気的な受信信号はデータ線8、9を介して制御/評価ユニット10に転送さ
れる。制御/評価ユニット10には、目標値がファイルされている記憶ユニット
11が配属されている。所定の充填レベルまたは所定の濃度に達したことが、操
作者に図示した事例においては出力ユニット14を介して通知される。さらに図
1においては、振動検出器1と距離を置いて配置された制御部又は指示部12を
確認できる。制御/評価ユニット10と制御部12とは相互にデータ線13を介
して通信する。有利には通信は、伝送の雑音余裕度を高めるためにディジタル形
式で行われる。勿論本発明の解決手段をコンパクトなセンサに統合することもで
きる。
【0025】 図2aは、本発明の装置の第1の変形による、電極構造24を備えた圧電素子
15の第1の面の鳥瞰図である。図2bには、図2aに示した圧電素子15の側
面図が図示されており、また図2cには圧電素子15の相応の第2の面17の鳥
瞰図が図示されている。圧電素子15の第1の面16には、4つの電極18、1
9、20、21から構成されている電極構造24が配置されている。電極18、
19、20、21は図示した事例では4つの90°の扇形であり、それぞれ2つ
の電極18、19;20、21は中心について点対称に対置されている。点対称
に対置されている2つの電極は送信電極20、21を形成し、残りの2つの電極
は受信電極18、19を表す。
【0026】 上記において既に言及したように、圧電素子15の第2の面17には金属性の
層29が設けられており、この金属性の層29はアース電極の機能を担う。アー
ス電極はダイヤフラム5と反対側の圧電素子15の面上にある。振動検出器ない
し濃度センサ1のケーシング及びダイヤフラム5が導電性材料から構成されてお
り、アース電位におかれている場合には、導電層29を導電的に、例えば導電性
の接着剤を用いてダイヤフラム5と接着するかまたはダイヤフラム5とはんだ付
けするだけで十分である。
【0027】 図3及び図4の既述との関連において、圧電素子15の有利な構成を引き合い
に出す。この構成は、安全技術的な理由から圧電素子15とダイヤフラム5ない
し振動検出器1のケーシングとの間の導電的な接続が許されない場合か、ダイヤ
フラムまたは振動検出器1のケーシングが非導電性の材料から構成されている場
合に常に使用される。必要に応じて、EP 0 985 916 A1に記載されているように
、ダイヤフラム5とアース電極との間に、例えばステアタイトから成るディスク
状の誘電性の層が配置される。EP 0 985 916 A1の相応の公開内容を、本願の公
開内容に包含することができる。
【0028】 図3には、2つの送信電極20、21及び2つの受信電極18、19を備えた
有利な電極構造24が図示されている。電極18、19、20、21は均等に分
極されている。それぞれ点対称に対置された2つの電極18、19;20、21
は送信電極20、21ないし受信電極18、19を形成する。電極構造24が対
称的な状態であるので、送信電極20、21及び受信電極18、19を問題なく
交換することができる。この状態は図3においては、結びつけられた線E/Sな
いしS/Eによって象徴的に表されている。電極を同相に分極する固有の電極構
造に基づいて、外部の振動によって惹起されるコモンモード干渉が自動的に除去
される。
【0029】 図4は、図2及び図3に示した本発明の装置の実施形態の電気的な接触接続が
概略的に図示されている。接触接続のこの方式は、もちろん圧電素子15におけ
る本発明の電極構造24の第2の実施形態にも適している。導体路(心線)25
、26、27を介して、図3ないし図6に図示した電極構造24の個々の電極1
8、19、20、21の接触接続が達成される。有利には導体路25、26、2
7は所謂フレックスジャンパ(Flexjumper)に統合されている。フレックスジャ
ンパは、個々の導体路が相互に接続されているフレキシブルなテープである。こ
のようなフレックスジャンパの構成は、前述のEP 0 985 916に公開されている。
【0030】 EP 0 985 916 A1にはまた図3及び図4に図示した構成が記載されており、こ
の構成はアース電極を送信電極及び受信電極18、19、20、21と同様に圧
電素子15の第1の面16に接触接続させることができる。第1の面16におけ
る接触接続は接続電極18を介して行われ、この接続電極18は図示した事例で
は幅の広い対角線として示されており、また圧電素子15の円筒状の外周面を越
えて、圧電素子15の第2の面上の導電層29と電気的に接触接続される。これ
によって、必要とされる全ての接触接続をリフロー法による1つの作業ステップ
のみで実現することができ、このことは勿論時間とコストを大幅に節約すること
になる。
【0031】 図5aには、本発明の送信/受信ユニット6の第2の実施形態による、電極構
造24を備えた第1の面の鳥瞰図が図示されている。圧電素子15の左側にある
2つの電極19、20は、圧電素子15の右側にある2つの電極18、21とは
反対に分極されている。
【0032】 図5bには、本発明の装置の第2の実施形態による、導電層29を備えた圧電
素子15の第2の面の鳥瞰図が図示されている。既に上述したように、導電層2
9を導電性のダイヤフラム5及び導電性のケーシングを介して直接的にアースに
おくことができる。しかしながら導電層29は、電極構造24を備えた圧電素子
15の第1の面16上の接続電極29を介してアース電位におくことも可能であ
る。
【0033】 図6は、本発明の装置(図5a、図5b)ないし本発明の送信/受信ユニット
の第2の実施形態のブロック回路図である。インバータ22によって反転された
送信信号は送信電極22に印加される。反転されない送信信号は送信電極20に
印加される。したがって2つの送信電極20、21には、値的には同一であるが
逆の符号を有する送信信号が印加される。例えばハム及び/又は外部の振動によ
って惹起されるコモンモード干渉(図面においては干渉という指標で表されてい
る)が生じる場合には、受信電極18において信号E=+ΔE+σが取り出さ
れ、また受信電極19のいては信号E=−ΔE+σが取り出される。2つの信
号は差動増幅器23の入力側に供給され、この差動増幅器23の出力側ではコモ
ンモード干渉が取り除かれた信号E=E−E=+2ΔEが供給される。した
がって本発明の装置、殊に本発明の送信/受信ユニットを用いることにより、点
対称に配置された2つの電極18、19;20、21にそれぞれ同相に作用する
干渉を非常に簡単且つ効果的なやり方及び方法で除去することができる。
【0034】 本発明の装置の第1の変形のための帰還結合回路のブロック図は、既に何度も
言及したEP 0 985 916 A1において公開されており、したがって本願においては
明確な既述は省略される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による装置の概略図である。
【図2】 圧電素子の概略図である。
【図3】 本発明による装置の第1の実施形態による有利な電極構造の鳥瞰図である。
【図4】 図2及び図3に図示した本発明による装置の実施形態の電気的な接触接続の概
略図である。
【図5】 圧電素子の概略図である。
【図6】 図5a及び図5bに図示した本発明による装置の第2の実施形態のブロック回
路図である。
【符号の説明】
1 振動検出器ないし濃度センサ、 2 可振動ユニット、 3、4 振動ロ
ッド、 5 ダイヤフラム、 6 送信/受信ユニット、 7 ねじ、 8、9
データ線、 10 制御/評価ユニット、 11 記憶ユニット、 12 制
御部、 13 データ線、 14 出力ユニット、 15 圧電素子、 16
圧電素子の第1の面、 17 圧電素子の第2の面、 18、19 受信電極、
20、21 送信電極、 22 インバータ、 23 差動増幅器、 24
電極構造、 25 第1の導体路、 26 第2の導体路、 27 第3の導体
路、 28 接続電極、 29 導電層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),AE,A G,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG ,BR,BY,BZ,CA,CH,CN,CO,CR, CU,CZ,DE,DK,DM,DZ,EE,ES,F I,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID ,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR, KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,M A,MD,MG,MK,MN,MW,MX,MZ,NO ,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG, SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,U A,UG,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW Fターム(参考) 2F014 CB01

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視する、な
    いし容器内の充填物の経過量を検出する装置であって、 ダイヤフラムに固定された可振動ユニットが設けられており、 該可振動ユニットは所定の充填レベルの高さに取り付けられており、ないし該
    可振動ユニットは所定の浸入深さまで充填物に浸入するように取り付けられてお
    り、 送信/受信ユニットが設けられており、該送信/受信ユニットはダイヤフラム
    及び可振動ユニットに所定の送信周波数で振動を励起させ、可振動ユニットの振
    動を受信し、 制御/評価ユニットが設けられており、該制御/評価ユニットは所定の周波数
    変化が生じると直ぐに所定の充填レベルに達したことを識別し、ないし可振動ユ
    ニットの振動周波数に基づいて充填物の濃度を算出する、容器内の充填物の充填
    レベルを確定及び/又は監視する、ないし容器内の充填物の経過量を検出する装
    置において、 送信/受信ユニット(6)はディスク状の圧電素子(15)であり、該圧電素
    子(15)の第1の面(16)には電極構造(18)が設けられており、 該電極構造(18)は少なくとも2つの送信電極(20、21)及び少なくと
    も2つの受信電極(18、19)を有し、 第1の送信電極(20)は第2の送信電極(21)に、ないし第1の受信電極
    (18)は第2の受信電極(19)にそれぞれ実質的に点対称に対置されている
    ことを特徴とする、容器内の充填物の充填レベルを確定及び/又は監視する、な
    いし容器内の充填物の経過量を検出する装置。
  2. 【請求項2】 前記送信/受信ユニット(6)の前記送信電極(20、21
    )及び/又は前記受信電極(18、19)は実質的に同形である、請求項1記載
    の装置。
  3. 【請求項3】 前記送信電極(20、21)及び/又は前記受信電極(18
    、19)は90°の扇形の形状を有する、請求項1または2記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記第1の送信電極(20)と第2の送信電極(21)ない
    し前記第1の受信電極(18)と第2の受信電極(19)は反対に分極されてい
    る、請求項1、2または3記載の装置。
  5. 【請求項5】 インバータ(22)が設けられており、該インバータ(22
    )は前記送信/受信ユニット(6)の2つの前記送信電極(20、21)の内の
    一方に印加される電気信号を反転する、請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】 差動増幅器(23)が設けられており、該差動増幅器(23
    )の入力側には、2つの前記受信電極(18、19)において取り出される電気
    信号が印加される、請求項4または5記載の装置。
  7. 【請求項7】 前記送信/受信ユニット(6)の前記送信電極(20、21
    )及び前記受信電極(18、19)は同相に分極されている、請求項1、2また
    は3記載の装置。
  8. 【請求項8】 前記圧電素子(15)には、電極構造(24)を備えた第1
    の面(16)とは反対側の第2の面(17)上に少なくとも部分的に導電層(2
    9)が設けられている、請求項1から6までのいずれか1項または複数項または
    請求項7記載の装置。
  9. 【請求項9】 前記電極構造(24)を備えた前記圧電素子(15)の前記
    第1の面(16)上には接続電極(28)が設けられており、該接続電極(28
    )は少なくとも1つの領域において、前記圧電素子(15)の第2の面(17)
    上のアース電極を形成する導電層(29)と接続されている、請求項8記載の装
    置。
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