JP2968517B2 - 容器内の前もって決められている充填レベルを測定および／または監視するための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器内の前もって
決められた充填レベルを測定および／または監視するた
めの装置に関する。この装置は、前もって決められた充
填レベルの高さに取り付けられた１つの機械的振動構造
体と、１つの電気機械トランスジューサと、１つの評価
ユニットと、１つの制御ループとを含んでおり、電気機
械トランスジューサは少なくとも１つの送信器を有し、
電気機械トランスジューサは１つの受信器を有し、送信
器には電気的送信信号が加えられ、送信器は機械的振動
構造体を励振して振動を発生させ、受信器は振動構造体
の機械的振動をピックアップし、それらを電気的受信信
号に変換し、評価ユニットは受信信号をピックアップし
て、その周波数を決定し、前記周波数を基準周波数と比
較して、その周波数が基準周波数より小さな値を持って
いれば機械的振動構造体が充填材料によって覆われてい
ることを示す出力信号を発生し、その値がより大きけれ
ば機械的振動構造体は覆われていないことを示す出力信
号を発生し、制御ループは電気的送信信号と電気的受信
信号との間に存在する位相差を、振動構造体が共振周波
数で振動する所定の一定の値に合わせて調整する。

【０００２】

【従来の技術】多くの工業の分野、特に化学工業、そし
て食品材料工業分野において、この形式の充填レベルリ
ミットスイッチが用いられている。それらはリミットレ
ベル検出の目的を果たし、例えば、過充填の防止のため
に、またはポンプ空転に対する安全装置として用いられ
ている。

【０００３】第ＤＥ−Ａ ４４ １９ ６１７号は、容
器内の前もって決められた充填レベルを測定および／ま
たは監視するための装置を説明している。この装置は、
前もって決められた充填レベルの高さに取り付けられた
１つの機械的振動構造体と、１つの電気機械トランスジ
ューサと、１つの評価ユニットと、１つの制御ループと
を含み、トランスジューサは少なくとも１つの送信器を
有し、トランスジューサは１つの受信器を有し、送信器
には電気的送信信号が加えられ、送信器は機械的振動構
造体を励振して振動を生じさせ、受信器は振動構造体の
機械的振動をピックアップし、そしてそれらを電気的受
信信号に変換し、評価ユニットは受信信号をピックアッ
プして、その周波数を決め、それを基準周波数と比較し
て、その周波数が基準周波数よりも小さな値を有してい
れば、機械的振動構造体が充填材料によって覆われてい
ることを、そしてもしその値がより大きければ、それが
覆われていないことを、示す出力信号を発生させ、制御
ループは電気的送信信号と電気的受信信号との間に存在
する位相差を、振動構造体が共振周波数において振動す
る所定の一定値に合わせて調整されるように構成されて
いる。

【０００４】例えば、受信信号が増幅され、そして位相
シフタを通して送信信号にフィードバックされるように
制御ループが形成される。

【０００５】これら用途においては、共振周波数におい
て振動を発生させるための機械的振動構造体の信頼でき
る励振が確実ではなかったため、この形式の装置を、高
度に粘性のある媒体あるいは水を含むまたは粘性のある
泡における測定にも利用することは不可能であった。

【０００６】後述の発明に至ることになった最初の研究
によればその原因は、既述の装置は、機械的振動構造
体、電気機械トランスジューサおよび制御ループからな
る複雑な振動系であるという点にある。また、個々のコ
ンポーネントは、完全には電気的に絶縁されておらず、
そして互いに他から機械的に分離されてはいない。電気
的結合と機械的結合の両方が発生する。

【０００７】位相差の固定値は、振動構造体が気体また
は液体内で振動するときの系の共振に相当する。しか
し、系の振動品質が何らかの理由によって低下すると、
位相差の固定値はもはや存在しなくなる。機械的振動構
造体がゼロ以外の振幅を持って振動し、かつ位相差が固
定値を有しているような周波数は存在しない。この位相
差を制御ループによって調整することはできない。その
結果、誤動作が生じる。

【０００８】例えば、粘性のある媒体内に、または液体
を含むまたは粘性のある泡内に振動構造体を浸すことに
よって、例えば機械的振動構造体の動きが減衰するとき
に、振動品質における低下が発生する。さらに、材料疲
労の場合や、または非対称復元力をもたらす、例えば非
対象沈殿形成による非対象の場合のような、装置内のエ
ネルギーロスによって振動品質が低下する。原理的に
は、充填材料に解放される振動エネルギーまたは装置の
締め具を通して容器に解放されるエネルギーのような、
あらゆる形式のエネルギーロスが振動品質における低下
を招く。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、冒頭で述べた形式の装置において、装置の振動品
質に無関係な一定の位相差が、機械的振動構造体の共振
周波数において送信信号と受信信号との間に存在するよ
うに構成することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば課題は、
受信信号を伝達する受信信号線が、電気的インピーダン
スを介して送信信号を伝達する送信信号線に接続されて
おり、受信信号の中の複数の妨害信号成分が互いに相殺
しあうようにこのインピーダンスは設定されていること
により解決される。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の１つの実施例によれば、
受信信号は３つのコンポーネント、すなわち機械的振動
構造体の振動によって左右される１つの測定信号と、送
信器と受信器との間の電気的結合によって左右される第
１付加信号と、送信器と受信器との間の機械的結合によ
って左右される第２付加信号と、であり、ここにおい
て、第１および第２付加信号が、実質的に同等な振幅を
有し、そして実質的に逆位相の経過特性を有するように
インピーダンスが決められる。

【００１２】さらなる改善によれば、送信器２３および
受信器２４は圧電素子である。

【００１３】さらなる改善によれば、送信信号と受信信
号との間の位相差は基準値に対し２０°〜９０°の間の
値または−９０°〜−２０°の間の値とされる。

【００１４】さらなる改善によれば、インピーダンスは
１つのキャパシタンスである。

【００１５】本発明の１つの改善によれば、インピーダ
ンスは１つの抵抗、１つのインダクタンス、または少な
くとも１つの抵抗および／または少なくとも１つのイン
ダクタンスおよび／または少なくとも１つのキャパシタ
ンスの組み合わせである。

【００１６】

【実施例】本発明およびさらなる利点は、実施例が描か
れている図面を参照しながら、より詳細に説明される。
図中では、同等な素子には同等な参照記号が与えられて
いる。

【００１７】図１は、機械的振動構造体１の実施例を通
る長さ方向断面図を示している。これは基本的に円筒形
ハウジング１１を有しており、このハウジングは円形ダ
イヤフラム１２によって前面においてクローズオフフラ
ッシュとなっている。ねじ山１３はハウジング１１上に
全周的に形成され、このねじ山によってこの装置は（描
かれていない）開口内にねじ込まれ、容器内の前もって
決められた充填レベルのレベルに配置される。例えばハ
ウジング１１上に全周的に形成されたフランジのよう
な、当業技術者にとって知られている締め付け方法も同
様に利用できる。

【００１８】容器内に向けられる振動バー１４は、ハウ
ジング１１の外側のダイヤフラム１２上に全周的に形成
される。それらのバーはハウジング１１の内部に配置さ
れた電気機械トランスジューサ２によってそれらの長さ
方向軸に垂直に振動させられる。

【００１９】しかし、本発明は２つの振動バーを持つ機
械的振動装置に限定されるわけではなく、単に１つのま
たは何の振動バーも持たないリミットスイッチを利用す
ることも可能である。最後に指摘された場合において
は、例えば振動ダイヤフラムのみが容器内に注がれた充
填材料と接触することができる。

【００２０】トランスジューサ２は、スタック状に配置
された３つの環状圧電素子を有している。金属リング２
１、２２のそれぞれは、スタックの両端に配置される。
金属リング２１は、圧力ピン１２１上に作られるダイヤ
フラムに対面しており、ピンはダイヤフラム１２の外側
環状表面上に全周的に形成される。ハウジング１１の内
部に向けられている張力ボルト３は、ダイヤフラム１２
の中心に設けられる。このボルトには絶縁部３１が設け
られており、これはトランスジューサ２を貫通してい
る。ナット３２は、ダイヤフラムから遠い、張力ボルト
３の一端上にねじ取り付けされている。このナットはダ
イヤフラムから遠い側の金属リング２２上に取り付けら
れる。ナット３２は締め付けられる。ダイヤフラム１２
はこうしてあらかじめ張力が与えられる。

【００２１】ダイヤフラムに対面する２つの圧電素子
は、送信器２３として動作し、そしてダイヤフラムから
離れた圧電素子は受信器２４として働く。図２は、トラ
ンスジューサ２およびそれに接続される電気回路の概略
を示している。送信器２３と受信器２４の各々は、それ
らの環状表面上に配置された２つの電極をそれぞれ有し
ており、そのそれぞれの第１電極は線４を通して、いず
れの場合にも基準電位、例えばグランド、に接続され
る。送信器２３のそれぞれの第２電極は、いずれの場合
にも送信信号線５に接続される。受信器２４の第２電極
は受信信号線６に接続される。

【００２２】各圧電素子すなわち送信器２３および受信
器２４は、それぞれスタックの長さ方向軸に平行に対し
分極する。ＡＣ電圧が送信信号線５の上に印加される
と、送信器２３は厚さ振動を行う。その結果、スタック
の高さが振動する。スタックは張力ボルト３，ナット３
２および圧力ピン１２１によってクランプされており、
そしてダイヤフラム１２に結合されているので、ダイヤ
フラム１２がこれら厚さ振動によって励振され、たわみ
振動を発生する。振動バー１４はそれらの末端において
ダイヤフラム１２に固定的に接続されている。その結
果、ダイヤフラム１２のたわみ振動は振動バー１４に、
それらの長さ方向軸に垂直な振動を発生させる。

【００２３】結果的に、振動バー１４の振動は、ダイヤ
フラム１２のたわみ振動を導き、これは逆にスタックの
厚さ振動を生じさせる。この厚さ振動は受信器２４両端
の電圧降下を変化させるよう働く。相当する受信信号Ｅ
はそれぞれの信号線６を通して得られる。

【００２４】この電気的受信信号Ｅ_１、Ｅ_２の振幅が大
きくなれば、振動バー１４の機械的振動振幅も大きくな
る。このことを利用するために、装置はその共振周波数
ｆ_ｒにおいて動作することが望ましい。機械的振動振幅
は共振周波数ｆ_ｒにおいて最大となる。

【００２５】理想振動装置の一例として、高調波発振器
が考慮されるならば、その振動振幅は振動周波数の関数
としてただ１つの最大値を持つ。振動励振と発振器の振
動との間の位相差は、この最大値の領域において１８０
°の急激な位相変化を受ける。共振周波数においては、
振動振幅は最大であり、そして位相差は９０°である。

【００２６】同様な基本的な物理的原理に基づいて、こ
の装置における共振の場合にもまた、送信信号と電気的
信号Ｅとの間には固定された位相関係が存在する。この
位相差の一定値は、送信器２３および受信器２４の分極
ならびに装置の機械的および電気的振動特性に依存す
る。測定によれば、一般的にこの値が基準ポイント例え
ば０°または１８０°に対して２０°〜９０°の間また
は−９０°〜−２０°の間に存在することを示してい
る。

【００２７】機械的振動構造体をその共振周波数ｆ_ｒで
振動をさせるために、制御ループが備えられ、制御ルー
プは電気的送信信号と電気的受信信号Ｅとの間に存在す
る位相差を、特定の一定値Δφ_Ｒになるよう制御する。
この形式の制御ループの１つの実施例が図２に描かれて
いる。この場合においては、受信信号Ｅは増幅器７およ
び位相シフタ８を通して送信信号にフィードバックされ
る。位相シフタは、その位相を特定の一定値Δφ_Ｒだけ
シフトさせる。増幅器７は自励条件が満足されるように
作られるべきである。その結果、機械的振動構造体はト
ランスジューサ２によって励振され、その共振周波数に
おいて振動を発生する。もし振動構造体が充填材料によ
って覆われているならば、共振周波数ｆ_ｒは振動構造体
が自由に振動している時よりも低い値を持つ。他方で
は、共振周波数ｆ_ｒで呈する位相差の固定値は、振動構
造体が充填材料によって覆われているかどうかには無関
係である。

【００２８】受信信号Ｅは受信信号線６を通して評価ユ
ニット９の入力に供給される。その周波数は周波数測定
回路９１によって求められ、そして結果はコンパレータ
９２に供給される。コンパレータは測定された周波数を
メモり内に格納された基準周波数ｆ_Ｒと比較する。もし
測定された周波数が基準周波数ｆ_Ｒよりも小さければ、
評価ユニット９は機械的振動構造体が充填材料によって
覆われていることを表す出力信号を発生する。もしこの
周波数が基準周波数ｆ_Ｒよりも大きな値を有していれ
ば、評価ユニット９は機械的振動構造体が充填材料によ
って覆われていないことを表す出力信号を発生する。こ
の出力信号は例えば、相応の値をもつ電圧または相応の
値をもつ電流か、あるいはその上に相応の周波数または
相応の持続時間を持つパルスの形式で信号電流が重ね合
わせられている電流である。

【００２９】高調波発振器においては、振動品質の減衰
または減少は共振の場合においては最大振幅の減少をも
たらす。そのような場合、周波数の関数としての位相増
加は、突発的であるよりはむしろ連続的に進行し、精密
に表現すれば、これがより緩やかに進行すればそれだ
け、振動品質の減衰または減少がより大きいことを示し
ている。しかし、全体として、きわめて大きな減衰があ
ったとしても、共振周波数においては１８０°の全体と
しての位相変化が確実であり、そして９０°の位相差が
存在する。９０°の位相差の、共振に相当する固定され
た値は常に存在し、そして共振周波数にあるものと仮定
される。

【００３０】理想的な発振器と対照的に、上に説明され
た装置においては、電気的および機械的特性の結合が、
送信器２３、受信器２４と機械的振動構造体との間に存
在する。機械的結合は、基本的にトランスジューサ２の
機械的クランピングに左右される。このため、例えば振
動バー１４が抑制され、そしてその結果振動バーが動か
ないときであっても、送信器２３を励振する送信信号に
よって受信信号Ｅが生じる。

【００３１】電気的結合は、送信器２３と受信器２４と
の間に存在する。それらは互いに他と電気的に独立して
いるわけではなく、かえってそれらの間には一般的に容
量性接続が存在する。この接続は図２において、送信信
号線５と受信信号線との間に挿入されているキャパシタ
ンスＣ^＊によって等価回路図の形式で描かれている。

【００３２】従って、受信信号Ｅは３つのコンポーネン
ト、すなわち測定信号Ｅ_Ｍ、機械的結合に左右される第
１付加信号Ｅ_ｍｅｃｈ、そして電気的結合によって左右
される第２付加信号Ｅ_ｅｌから構成される。

【００３３】Ｅ＝Ｅ_Ｍ＋Ｅ_ｍｅｃｈ＋Ｅ_ｅｌ 測定信号Ｅ_Ｍは、機械的振動構造体の振動に基づいてお
り、周波数依存振幅Ａ_Ｍ（ｆ）および周波数依存位相Δ
φ_Ｍ（ｆ）を有している。各々の場合における位相は、
電気的送信信号を基準とした電気的受信信号信号Ｅのそ
れぞれのコンポーネントの位相オフセットを表してい
る。

【００３４】図３−ａは、振幅Ａ_Ｍ（ｆ）を、そして図
３−ｂは位相Δφ_Ｍ（ｆ）を、周波数ｆの関数として測
定信号Ｅ_Ｍについて描いている。この曲線は、例えば有
限要素計算のようなシミュレーション計算によって計算
的に求めることができる。

【００３５】それらは、送信信号線５を周波数ジェネレ
ータに接続することにより、そして例えばレーザ振動計
を用いて周波数ジェネレータの周波数の関数として振動
バー１４の振動の位相および振幅を求めることにより実
験的に測定することが可能である。

【００３６】これら２つの図の各々において、実線が高
い振動品質を持つ装置に相当し、破線は低い振動品質を
持つ装置に相当している。どちらの場合においても、測
定信号の振幅Ａ_Ｍ（ｆ）および位相Δφ_Ｍ（ｆ）は、標
準的な高調波発振器の経過特性を有しており、これはす
でにこれまでに説明されている。

【００３７】２つの付加信号Ｅ_ｍｅｃｈ、Ｅ_ｅｌの各々
は、基本的に一定の振幅Ａ_ｍｅｃｈ、Ａ_ｅｌおよび、基
本的に一定の位相Δφ_ｍｅｃｈ、Δφ_ｅｌを有してい
る。この場合においてもまた、位相は電気的送信信号を
基準とした電気的受信信号Ｅのそれぞれのコンポーネン
トの位相オフセットを表している。

【００３８】図３−ｃは、振幅Ａ_ｍｅｃｈを、そして図
３−ｄは位相Δφ_ｍｅｃｈを、周波数ｆの関数として第
１付加信号Ｅ_ｍｅｃｈに関して示している。この曲線
は、例えば有限要素計算のようなシミュレーション計算
によって計算的に求めることができる。それらは他の２
つの信号コンポーネント、すなわち測定信号Ｅ_Ｍおよび
第２付加信号E_ｅｌが抑制されているときに実験的に測
定することが可能である。

【００３９】もしそれらの振幅がほとんどゼロの値を有
しているならば、受信信号Ｅは第１付加信号Ｅ_ｍｅｃｈ
に等しく、そして例えばオシロスコープによって測定す
ることができる。

【００４０】測定信号Ｅ_Ｍは、振動バー１４が機械的に
固定されるように振動バー１４を抑制することにより除
去することができる。第２付加信号Ｅ_ｅｌは、受信器２
４の電気的絶縁、例えばグランド接続された金属シール
ドの形状によって避けることができる。もし可能であれ
ば、どのような形式の電気的信号の結合も阻止するため
に短絡線を用いることもまた推奨できる。

【００４１】図３−ｅにおける実線は、振幅Ａ_ｅｌを、
そして図３−ｆにおける実線は位相Δφ_ｅｌを、周波数
ｆの関数として第２付加信号Ｅ_ｅｌに関して示してい
る。これらの曲線もまた、シミュレーション計算によっ
て得られる。それらは例えば、送信器２３として、そし
て受信器２４として、非分極圧電素子を用いることによ
り実験により記録することができる。これらにおいて
は、送信信号によって何の機械的動きも発生されること
がなく、そしてその結果、受信信号Ｅは、電気的結合を
基にした第２付加信号Ｅ_ｅｌに相当する。後者の信号
は、同様に、オシロスコープによって測定される。

【００４２】付加信号Ｅ_ｍｅｃｈ、Ｅ_ｅｌの振幅Ａ
_ｍｅｃｈ、Ａ_ｅｌおよび位相Δφ_{ｍｅｃ ｈ}、Δφ
_ｅｌは、実質的に周波数に無関係であり、そしてそれぞ
れの装置の機械的構造に、そして送信器２３および受信
器２４の電気的および機械的特性に明瞭に関係してい
る。振幅Ａ_ｍｅｃｈは普通、振幅Ａ_ｅｌよりも実質的に
大きい。

【００４３】標準的には、位相Δφ_ｍｅｃｈ，Δφ_ｅｌ
は互いに他に対して実質的に等しいか、または実質的に
１８０°だけオフセットされている。後者の場合は図３
−ｃおよび図３−ｅに描かれている。これら２つの付加
信号が周波数範囲に亘って同じ位相を有しているなら
ば、受信器２４ａの電極の端子を交換するか、または後
者の分極を１８０°回転させるかの、いずれかが必要で
ある。後者は例えば、圧電素子を回転させることによっ
て達成することができる。結果として、２つの付加信号
は望ましい、対向する、すなわち互いに他に対して１８
０°だけオフセットされた、位相を持っている。送信器
２３を相当する方法で取り扱うことにより、同じ結果が
得られることは当然である。実際には、０°または１８
０°とは明らかに異なる量だけ違う位相Δφ_ｍｅｃｈ，
Δφ_ｅｌであるような状況もまた生じることがある。同
様な方法において、以下が適用される。この実施例にお
いては、基本的な関係がより簡単に説明され、そしてよ
り明確にそれを行うことができるように、１８０°の差
異が選択されている。

【００４４】図３−ｇは、信号Ｅの振幅Ａ（ｆ）を、そ
して図３−ｈは信号Ｅの位相Δφ（ｆ）を示している。
２つの曲線は、上に説明された受信信号Ｅの３つのコン
ポーネントの位相および振幅正確重ね合わせからの結果
である。

【００４５】

【数１】

【００４６】両方の曲線は各々４つの領域Ｉ，ＩＩ，Ｉ
ＩＩ，ＩＶ，を有しており、これは以下において極めて
簡単な方法で説明される。第１の領域Ｉにおいては、第
１付加信号が最も大きな振幅Ａ_ｍｅｃｈを有しているた
め、これが優勢である。この信号の位相Δφ_ｍｅｃｈは
約１８０°だけ位相Δφ_Ｍ（ｆ）およびΔφ_ｅｌとは異
なっている。従って、結果としての振幅Ａ（ｆ）は振幅
Ａ_ｍｅｃｈ（ｆ）から振幅Ａ_Ｍ（ｆ）とＡ_ｅｌの和を減
じたものにおおよそ相当している。

【００４７】

【数２】

【００４８】この領域Ｉにおいては、結果的な位相Δφ
_１（ｆ）は、０°である。

【００４９】第２の領域ＩＩにおいては、測定信号Ｅ
_Ｍ１は、第１付加信号の振幅Ａ_{ｍｅｃ ｈ１}を越えるその
増加する振幅Ａ_Ｍ１（ｆ）によって、主要な勢力を有し
ている。同様に、その位相Δφ_Ｍ１（ｆ）は、この領域
ＩＩにおいては０°である。

【００５０】従って、結果的な信号の振幅Ａは、測定信
号Ａ_Ｍ（ｆ）と第２付加信号Ａ_ｅｌ（ｆ）の振幅の和か
ら、第１付加信号の振幅Ａ_ｍｅｃｈだけ減じたものにほ
とんど相当する。

【００５１】

【数３】

【００５２】領域Ｉと領域ＩＩとの間の領域境界の前で
は、受信信号Ｅの振幅Ａ（ｆ）はかなり減少する。この
周波数範囲においては、受信信号Ｅの位相Δφ（ｆ）は
１８０°から０°まで減少する。領域ＩＩにおいては、
振幅Ａは上昇し、そして位相Δφ（ｆ）は０°において
変化しないままである。共振周波数ｆ_ｒは領域ＩＩと領
域ＩＩＩとの間に存在する。その結果、測定信号Ｅ_Ｍは
１８０°の急激な位相変化を有する。この信号はまた、
その振幅Ａ_Ｍ（ｆ）によって領域ＩＩＩにおいては優勢
であり、この振幅は減少するがしかし、第１付加信号Ｅ
_ｍｅｃｈの振幅Ａ_ｍｅｃｈを越えたままである。従っ
て、領域ＩＩＩにおいては、受信信号の振幅Ａは基本的
に測定信号の振幅Ａ_Ｍ（ｆ）と第１付加信号Ａ_ｍｅｃｈ
（ｆ）の和から、第２付加信号の振幅Ａ_ｅｌ（ｆ）だけ
減じたものに相当する。

【００５３】

【数４】

【００５４】これは測定信号Ａ_Ｍ（ｆ）の振幅における
減少によって周波数と共に減少する。この領域ＩＩＩに
おいては、位相は１８０°である。

【００５５】領域ＩＶにおいては、測定信号Ａ_Ｍ（ｆ）
の振幅は第１付加信号の振幅Ａ_{ｍｅ ｃｈ}の下に降下す
る。この領域ＩＶにおいては、受信信号Ｅの振幅Ａは最
終値に漸近して減少し、この最終値は２つの付加信号の
振幅Ａ_ｍｅｃｈおよびＡ_ｅｌの間の差異に相当してい
る。

【００５６】

【数５】

【００５７】位相Δφ（ｆ）は１８０°の値に留まって
いる。

【００５８】電気的送信信号と電気信号Ｅとの間の位相
差は、周波数の関数としての、互いに反対の方向におけ
る各々１８０°の２つの急激な位相変化を有している。
その結果、位相Δφ（ｆ）が固定値Δφ_Ｒを持つ２つの
周波数が存在する。この固定値は、共振に相当してお
り、そして最初に説明されたもので、この場合には９０
°である。すなわちこの周波数は、領域Ｉと領域ＩＩと
の間の領域境界に、および領域ＩＩと領域ＩＩＩとの間
の境界境界に存在する。以下において、反共振周波数ｆ
_ａｒとして参照される最初の周波数は、電気的受信信号
Ｅの振幅が、この場合には無視できる程度に小さいた
め、ほとんど意味はない。そのため制御ループの周波数
決定素子はアクティブとはならない。結果として、フィ
ードバックは中断され、そして自励条件は満足されな
い。第２の周波数は装置の共振周波数ｆ _ｒである。これ
は装置の動作の間の臨界周波数であり、そして制御ルー
プによって自動的に調整される。

【００５９】個々の信号Ｅ_Ｍ，Ｅ_ｍｅｃｈ，Ｅ_ｅｌの位
相Δφ，Δφ_ｍｅｃｈ，Δφ_ｅｌの値は、異なる装置に
関しては異なるものであることは言うまでもないか、し
かしそれらの基本的な経過特性は言及された全ての装置
に適用され、そして実施例の説明を参照して理解するこ
とができる。

【００６０】もし、機械的振動構造体が消振されている
かまたは減じられた振動品質を有しているような条件が
発生するならば、測定信号の振幅Ａ_Ｍ（ｆ）および位相
Δφ _Ｍ（ｆ）は、図３−ａおよび図３−ｂにおける破線
によって描かれている経過特性をなぞる。振幅Ａ
_Ｍ（ｆ）は、周波数とともにより緩やかに上昇および下
降し、そして明らかにより低い最大値を有するものとな
る。位相Δφ_Ｍ（ｆ）は、急激な位相変化を生じること
はなく、周波数とともに連続的に上昇する。装置の振動
品質がより減少するならば、より低い振幅の最大値、お
よびより低い位相の傾斜が生じる。しかし、位相Δφ_Ｍ
（ｆ）は常に漸近的に値０°および１８０°に達し、そ
して共振周波数においては９０°のままである。付加信
号Ｅ_ｍｅｃｈおよびＥ_ｅｌは、変化しないままである。

【００６１】３つのコンポーネントの振幅および位相正
確重ね合わせから結果的に得られる信号Ｅの振幅Ａ
（ｆ）および位相Δφ（ｆ）は、振動品質における減少
のない最初に提示された例とは明らかに異なる。振幅Ａ
（ｆ）の最大値は大きく低下し、そして位相Δφ（ｆ）
は、互いに反対方向の各々１８０°の２つの急激な位相
変化の代わりに、互いに反対方向の２つの連続的な位相
変化を有する。明らかに最大位相差は１８０°よりも少
ない。装置の振動品質に依存して、これは９０°よりも
小さいこともある。

【００６２】このため、もし、例えば泡内における、ま
たは粘性のある媒体内における機械的振動構造体の消振
が、または例えば送信器２３として、または受信器２４
として動作する圧電素子と機械的振動構造体との間の機
械的接続のゆるみによって生ずる、装置の振動品質にお
ける何らかの形式の減少が生じるならば、電気的送信信
号と電気的信号Ｅ_１との間の位相差は周波数の関数とし
て互いに反対方向の２つの連続する位相変化を有するま
まであるがしかし、最大位相差は極めて小さくなる。最
大位相差が小さくなると、共振周波数ｆ_ｒと反共振周波
数ｆ_ａｒ１との間に存在する間隔はより小さくなる。

【００６３】送信信号と受信信号Ｅとの間の、共振に相
当する一定の位相関係は制御ループによって測定され、
制御ループは機械的振動装置を励振して共振周波数ｆ_ｒ
において振動を発生させる。説明されている装置が、高
い振動品質と関連した、覆われていない状態において機
能的であるためには、ここで示されている実施例におい
て固定された位相差Δφ_Ｒは９０°である。示されてい
る実施例においては、これは位相シフタ８によって発生
される。

【００６４】充填材料の特性によって、または振動品質
における減少によって、受信信号の位相Δφ（ｆ）が、
もはや全体の周波数範囲に亘って、この固定された値Δ
φ_Ｒではなくなるような、以前に説明されたような状況
が発生するならば、機械的振動装置の信頼できる励振は
もはや不可能である。従って装置は機能しなくなる。

【００６５】本発明によれば、この問題は送信信号線５
を電気的インピーダンスＺを通して受信信号線６に接続
することによって解決される。これは付加的な電気的結
合を構成する。この接続は増幅器７および位相シフタ８
を含む制御ループの部分に電気的に並列に配置される。
例えば、このインピーダンスＺは１つの抵抗、１つのキ
ャパシタンス、１つのインダクタンスまたは列挙された
コンポーネントの組み合わせである。

【００６６】インピーダンスＺは第２付加信号の振幅Ａ
_ｅｌおよび位相Δφ_ｅｌの両方に影響を与える。これ
は、前記第２付加信号の振幅Ａ_ｅｌが可能な限り第１付
加信号の振幅Ａ_ｍｅｃｈに等しくなるよう、そして前記
第２付加信号の位相Δφ_ｅｌが位相Δφ_ｍｅｃｈに対し
て１８０°だけシフトされるように設けられるべきであ
る。研究によれば、ほとんどの場合には、例えば数ピコ
ファラッドのキャパシタンスである、相当するキャパシ
タンスを持つキャパシタを用いるだけで十分である。こ
のキャパシタンスの値は、モデル計算によって前進的に
求めることができるか、または整調できるキャパシタを
用いて実行される一連の測定によって決めることができ
るかのいずれかである。

【００６７】２つの付加信号Ｅ_ｍｅｃｈおよびＥ_ｅｌが
実質的に同じ位相を有しているならば、受信器２４の電
極の端子を交換するか、または受信器の分極を１８０°
回転させるかのいずれかが必要である。後者シナリオは
例えば圧電素子を回転させることにより達成できる。結
果として、２つの付加信号は望ましい反対の、すなわち
互いに他に対して１８０°だけオフセットしている、位
相を有する。相当する方法で送信器２３を操作すること
により、同じ結果が得られるのは当然である。

【００６８】送信信号線５と受信信号線６が互いに他に
対して、妥当に設けられたインピーダンスＺを通して接
続されているような場合に関して、周波数ｆの関数とし
て第２付加信号Ｅ_ｅｌの振幅Ａ_ｅｌを図３−ｅが、そし
て位相Δφ_ｅｌを図３−ｆが、各々の場合において破線
として描いている。

【００６９】前に説明された従来技術においては、２つ
の付加信号の振幅Ａ_ｍｅｃｈおよびＡ_ｅｌは、大きな程
度異なっている。従ってより大きな振幅を持つ信号は、
広い周波数範囲において優勢である。一方、本発明によ
る装置においては、振幅ＡｍｅｃｈおよびＡ_ｅｌは、実
質的に同等であることが望ましく、そしてそれらの位相
Δφ_ｍｅｃｈおよびΔφ_ｅｌは、実質的に反対であるこ
とが望ましい。振幅および位相正確和Ａ_ｍｅｃｈｅ
^{ｉΔφｍｅｃｈ}＋Ａ_ｅｌ ^{ｉΔφｅｌ}は、受信信号に臨界
的な影響を有している。もし、２つの俯瞰信号が反対の
位相を有しているならば、結果的に２つの信号の振幅Ａ
_ｍｅｃｈおよびＡ_ｅｌの間の差異Ａ^＊＝Ａ_{ｍ ｅｃｈ}−Ａ
_ｅｌは、影響を受ける。この差異は、付加信号Ｅ
_ｍｅｃｈ、Ｅ_ｅｌの個々の振幅Ａ_ｍｅｃｈおよびＡ_ｅｌ
と比較すれば、極めて低い値を有している。Ａ^＊の値は
図３−ａに描かれている。

【００７０】この場合においてもまた、第１付加信号の
振幅Ａ_ｍｅｃｈが第２付加信号の振幅よりも僅かに大き
いと仮定するならば、第１付加信号の位相Δφ_ｍｅｃｈ
は、今や臨界的である差異Ａ^＊がその大きさにおいて測
定信号の振幅Ａ_Ｍ（ｆ）よりも大きな周波数に関して臨
界的である。

【００７１】結果的な受信信号Ｅの振幅Ａ（ｆ）および
位相Δφ（ｆ）が図４−ａおよび図４−ｂに描かれてい
る。これらの図によれば、振幅Ａ（ｆ）は、値Ａ^＊に漸
近的である。これは反共振周波数ｆ_ａｒにおいて最小値
を、そして共振周波数ｆ_ｒにおいて最大値を有してい
る。図３−ｇに描かれている経過特性と比較すれば、最
小値はかなりの程度小さく発生しており、そして共振周
波数と反共振周波数との間の差異は明らかに大きくなっ
ている。破線によって示されているように、このことは
測定信号の振幅Ａ_Ｍ（ｆ）の最大値が振動品質における
減衰または減少によって明らかに減じられたときにも当
てはまる。

【００７２】２つの付加信号が互いに正確に相殺しあう
ような理想的な場合に関しては、Ａ^＊は値ゼロを有し、
そして受信信号Ｅの振幅Ａ（ｆ）は、測定信号の振幅Ａ
_Ｍ（ｆ）に等しい。

【００７３】原理的には、受信信号の位相Δφ（ｆ）
は、図３−ｈの例におけると同様、周波数の関数として
同じ経過特性を有する。第１の急激な位相変化が発生す
る反共振周波数ｆ_ａｒは図３−ｈに描かれている場合よ
りも図４−ｂに描かれている場合においてより低いと考
えられる。従って、位相Δφ（ｆ）が値０°を持つ周波
数範囲は広がる。第２の急激な位相変化が発生する周波
数の値は、両方の図において同等であり、そして共振周
波数ｆ_ｒに相当している。

【００７４】破線は振動品質における減衰または減少が
存在する場合に関する位相Δφ（ｆ）の経過特性を示し
ている。これによれば、周波数の関数としての電気的送
信信号と電気的受信信号Ｅとの間の位相差が何ら急激な
位相変化を有しないとしても、これは互いに他に対して
反対方向での２つの連続する位相変化を有している。最
大位相差が１８０°よりも小さいとしても、少なくとも
９０°の最大位相差が、装置の振動品質における極めて
大きな減衰または減少の場合でも確保される。

【００７５】２つの付加信号が互いに正確に相殺しあう
理想的な場合、換言すればＡ^＊がゼロの値であるとき、
この場合にもまた受信信号Ｅの位相Δφ（ｆ）は測定信
号の位相Δφ_Ｍ（ｆ）に等しいということが成り立つ。

【００７６】その振動品質に関わりなく、本発明による
装置の受信信号Ｅは常に、機械的振動構造体の共振周波
数において同じ固定された位相差Δφ_Ｒを有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】機械的振動構造体および電気機械トランスジュ
ーサを通る長さ方向断面図である。

【図２】図１のトランスジューサおよびそれに接続され
る回路の概略図である。

【図３】高い、および低い振動品質に関する、周波数の
関数としての測定信号の振幅および位相をと、周波数の
関数としての第１付加信号の振幅および位相と、付加的
な電気的結合のある場合とない場合の、周波数の関数と
しての第２付加信号の振幅と、周波数の関数としての第
２付加信号の位相と、高いおよび低い振動品質に関する
周波数の関数としての受信信号の振幅および位相を表す
図である。

【図４】付加的な電気的結合を持つ、高い、および低い
振動品質に関する、周波数の関数としての受信信号の振
幅および位相を表す図である。

【符号の説明】

１ 振動構造体 ２ トランスジューサ ３ 張力ボルト ４ 線 ５ 送信信号線 ６ 受信信号線 ７ 増幅器 ８ 位相シフタ ９ 評価ユニット １１ ハウジング １２ ダイヤフラム １４ 振動バー ２１， ２２ 金属リング ２３ 送信器 ２４ 受信器 ３１ 絶縁 ３２ ナット ９１ 周波数測定回路 ９２ コンパレータ １２１ 圧力ピン

フロントページの続き (72)発明者 ゼルゲイ ロパティン ドイツ連邦共和国 レーラッハ フライ ブルガー シュトラーセ 231−アー (72)発明者 フォルカー ドライアー ドイツ連邦共和国 レーラッハ ゼーゲ マットシュトラーセ ６ (56)参考文献 特開 平７−333038（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−250320（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−48127（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−35225（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 23/22

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器内の前もって決められている充填レ
   ベルを測定および／または監視するための装置におい
   て、 前もって決められている充填レベルの高さに取り付けら
   れた１つの機械的振動構造体（１）と、１つの電気機械
   トランスジューサ（２）と、１つの評価ユニット（９）
   と、１つの制御ループと、受信信号（Ｅ）を伝達する１
   つの受信信号線（６）とを有し、 前記トランスジューサは少なくとも１つの送信器（２
   ３）を有し、該送信器へ電気的送信信号が加えられ、 前記送信器は機械的振動構造体（１）を励振して振動を
   発生させ、 前記トランスジューサは１つの受信器（２４）を有し、
   該受信器は振動構造体（１）の機械的振動をピックアッ
   プして、そしてそれらを電気的信号（Ｅ）に変換し、 前記評価ユニットは受信信号（Ｅ）をピックアップして
   その周波数を求め、該周波数を基準周波数（ｆ_Ｒ）と比
   較し、その周波数が基準周波数（ｆＲ）よりも小さな値
   を有しているならば、機械的振動構造体（１）は充填材
   料によって覆われていることを表す出力信号を発生さ
   せ、前記の値がより大きければ、機械的振動構造体は覆
   われていないことを表す出力信号を発生させ、 前記制御ループは、電気的送信信号と電気的受信信号
   （Ｅ）との間に存在する位相差を、振動構造体（１）が
   共振周波数（ｆ_ｒ）において振動する所定の一定値（Δ
   φ_Ｒ）に合わせて調整し、 受信信号（Ｅ）を伝達する前記受信信号線（６）は、電
   気的インピーダンス（Ｚ）を介して、送信信号を伝達す
   る送信信号線（５）と接続されており、 前記受信信号（Ｅ）の中の複数の妨害信号成分が互いに
   相殺しあうように前記インピーダンス（Ｚ）は設定され
   ている ことを特徴とする、 容器内の前もって決められている充填レベルを測定およ
   び／または監視するための装置。
2. 【請求項２】 受信信号（Ｅ）は３つのコンポーネン
   ト、すなわち機械的振動構造体の振動によって左右され
   る測定信号と、送信器（２３）と受信器（２４）との間
   の電気的結合によって左右される第１付加信号と、送信
   器（２３）と受信器（２４）との間の機械的結合によっ
   て左右される第２付加信号とを有しており、前記インピ
   ーダンス（Ｚ）は、第１および第２付加信号が実質的に
   同等な振幅（Ａ_ｅｌ，Ａ_ｍｅｃｈ）をかつ、実質的に逆
   位相の経過特性を持つように決められる、請求項第１項
   記載の装置。
3. 【請求項３】 送信器（２３）および受信器（２４）が
   圧電素子である、請求項第１項記載の装置。
4. 【請求項４】 送信信号と受信信号（Ｅ）との間の位相
   差は、基準値に対し２０°と９０°の間または−９０°
   と−２０°との間の値である、請求項第１項記載の装
   置。
5. 【請求項５】 前記インピーダンス（Ｚ）はキャパシタ
   ンスである、請求項第１項記載の装置。
6. 【請求項６】 前記インピーダンス（Ｚ）は、１つの抵
   抗、１つのインダクタンスまたは、少なくとも１つの抵
   抗および／または少なくとも１つのインダクタンスおよ
   び／または少なくとも１つのキャパシタンスの組み合わ
   せである、請求項第１項記載の装置。