JPH03505378A - 容器内の所定充填レベルを量定かつ（又は）監視する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 容器内の所定充填レベルを量定かっ （又は）監視する装置 本発明は、容器内の所定充填レベルを量定かっ（又は）監視する装置、それも、 機械式の振動構成体、励起ユニット、受信変換器を有し、前記振動構造体が容器 内へ突入する少なくとも２個の振動ロッドを備え、これらの振動ロッドが縁部の ところに張られたダイヤフラムに互いに間隔をおいて取付けられており、また前 記励起ユニットが、振動ロッドをその縦方向に対し直角方向に互いに反対の方向 に励振させ、少な（とも１つの、交流電圧により励起可能の圧電素子を備えた励 起変換器を有し、更にまた、前記受信変換器が少な（とも１つの圧電素子を備え 、機械式の振動構造体の振動を電気的な出力信号に変換する形式のものに関する 。

この種の装置は、ＤＥ−ＡＳ１７７３８１５により公知である。容器内に振動ロ ッドが１個のみ突入している他の公知装置と比較してこの装置が有する利点は、 各振動ロッドによりダイヤフラムの張りに及ぼされる交番の力が、振動が逆方向 のため互いに相殺される結果、容器壁への伝達による振動エネルギー損失が生じ ることがなく、かつまた、ダイヤフラムの張りに対する機械的負荷も低減される 点である。この公知装置の場合、ダイヤフラムと結合された振動ロッド端部が、 機械式に互いに連結を解かれた２個のブリッジにより互いに連結されている。こ れらのブリッジのそれぞれが、ダイヤフラムの上に載置されたヨークとヨークに 上に設けられたＵ字形部材とから成っている。一方のブリッジは励起変換器と、 他方のブリッジは受信変換器とそれぞれ接続されている。この接続は、変換器の 圧電素子がＵ字形部材とヨークとの間を連結することで行われる。励起変換器は 、増幅器の出力部に接続されている。増幅器入力部は、受信変換器と接続されて いるので、振動の自励は、機械式振動構造体の固有共振周波数により行われる。

増幅器の出力部に接続された評価回路は、振幅変動に応動するように構成されて いる。この装置の作用形式は、振動ロッドの機械振動が充填物中へ浸漬されると 減衰される結果、振幅が減少し、この減少が評価回路により検知され、表示及び （又は）切換えの過程が解発される。

この公知装置は、機械的な振動構造体と電圧変換器の配列とにより構成される結 果、充填物による振動ロッドの減衰が比較的著しいことが前提とされ、そうでな ければ振幅変動に対する確実な応動が保証されない。したがって、この公知装置 は、ばら材料又は高粘度性の液体など、振動ロッドが覆われるさい著しい減衰が 生じる充填物の監視にしか用いることができない。

容器内へ突入する２個の振動ロッドを有する同様の種類の別の装置がＤＥ−ＰＳ ３３３６９９１により公知である。この特許の対象は、ダイヤフラムの、振動ロ ッドとは反対側に配置されたブリッジであり、このブリッジは、端部がそれぞれ 振動ロッドと固定結合された曲げ弾性を有するロッド状支持体により、ダイヤフ ラムから間隔をおいて保持されている。励起変換器と受信変換器との圧電素子は 、この公知装置の場合、積層形式で配置されている。この積層体は、ブリッジと 、振動ロッド間のダイヤフラム部分との間に、ダイヤフラムに凸状に予圧を与え て挟み込まれている。ＤＥ−ＰＳ３３３６９９１の対象により、すでに次の課題 は解決されている。すなわち、容器内に突入する２個の振動ロッドを有するこの 種の装置を、任意の充填物に適するように構成し、かつまた、励起交流低電圧及 び僅かな励起エネルギーで動作しつるように構成する課題である。

この装置を前提とする本発明の課題は、容器内に所定充填レベルを量定及び（又 は）監視する装置、それも少なくとも２個の、容器内へ突入している振動ロッド を有する形式のものを、同じく励起交流低電圧かつ僅かな励起エネルギーで作動 できるようにし、更に、少数の部品から成る簡単化された励起・受信変換器を有 するようにすることによって、より簡単かつ廉価に製作できるようにすることに ある。

この課題は、請求の範囲に記載の特徴を有する手段により解決された。

本発明の装置は、加えて、次のような利点を有している。すなわち、圧電素子の 長さ変化に由来し、ダイヤフラムに作用するモーメントを増大させ、それにより 、振動ロッドの振幅を増幅できる点である。

本発明の、更に別の有利な構成は請求項２以下の各項に示しである。

以下に本発明の更に別の利点及び特徴を図示の一実施例について説明する。

図１は本発明による装置の部分縦断面図、図２は図１に示した本発明による装置 のねじ込み部の拡大縦断面図である。

図１には、符号１で所定充填レベルを量定及び（又は）監視する装置を示しであ る。この装置は、振動ロッド２１．２２、ねじ込み部３、励起・受信変換器４か ら成っている。振動ロッド２１゜２２は、図示されていない容器内へ突入し、そ の容器の充填レベルが装置１を介して量定されたり監視されたりする。振動ロッ ドは、等しい形態で、その縦軸線を中心として互いに１８０°回動した位置に配 置されている。双方の振動ロッドは、容器内部とは反対の側でダイヤフラム３１ と固定結合されこのダイヤフラム３１が、ねじ込み部３の内部を容器内室に対し て閉じている。振動ロッド２１．２２のそれぞれは、それぞれ屈折部２３．２４ を有しているので、互いにほぼ平行位置にある主要部分は、ダイヤフラムと結合 されている端部より、互いに広い間隔を有している。屈折部２３．２４により、 ダイヤフラム３１により一緒に伝達される縦方向残余振動が、同じ（振動ロッド に対し直角方向の振動に変換される。振動ロッドの主要部分は、円形横断面を有 し、自由端部が先細になっている。屈折部２３．２４は、ダイヤフラム３１との 結合個所のとことが、非円形の、より幅広の横断面にされている。

各振動ロッド２１，２２の自由端部には、パドル２５が、振動ロッド軸を含む平 面に対し直角に取付けられている。パドルのそれぞれは、振動ロッドの自由端部 から、かなりの長さにわたって延びている。この長さは、振動ロッドの長さの４ ０％から６０％の範囲で、有利には約５０％の長さである。これに対し、各パド ルの幅は、振動ロッドの縦軸線に対し直角方向に長さの延びよりも著しく小さく なっている。パドル２５のこの幅と屈折部２３．２４とは、互いに合致させであ るので、振動ロッド２１，２２は、パドル２５部分を、図示されていない容器壁 内に設けられた開口からそう人することができる。このためパドル２５の幅は比 較的僅かであるにも拘わらず、長さが長いため、パドルの有効面積は大となる。

ねじ込み部３は、円筒形で、円筒形外ねじ山３２を有している。装置１は、この 外ねじ山を介して図示されていない容器壁内に取付けられ、容器の充填レベルの 量定及び（又は）監視が行われる。そのために、容器壁には穴をあけて、その穴 には円筒形の内ねじ山を設けておく。装置１を容器壁内へねじ込むために、ねじ 込み部３には６角部３３が成形されている。この６角部３３の面の間隔は、スパ ナの対辺距離に合致している。圧力密の閉鎖は、環状のシール面３４により保証 され、図示されていない環状シールを間そうして、容器壁との間で行われる。ね じ込み部３の内部は、振動ロッド２１．２２と反対側で円筒形の中空室内へ突入 している。この中空室の軸方向の延びは、ねじ込み部３の僅かな残余部のみが突 入せずに残るように選ばれている。このねじ込み部３は装置１のダイヤフラムを 形成している。励起・受信変換器４はねじ込み部３の円筒形中空室３５内に収容 されている。

振動ロッド２１，２２、パドル２５、ねじ込み部３、ダイヤフラム３１は一体の 金属製成形品として製作してお（のが有利である。

装置１は、容器のあらゆる任意個所に組付けられることは言うまでもない。充填 レベルの測定及び（又は）監視がどのように行えるか、その課題に応じて、たと えば壁部又はふたに組付けることができる。

励起・受信変換器４の構造は、図２に示しである。まず締付けねじ４１がダイヤ フラム３１と固定結合されている。この結合は、当業者にとって公知のあらゆる 形式、例えば溶接、接着、その他によって行ってもよい。締付けねじ４１は、し かし、一体の金属成形部品の一部として構成してもよい。ねじ込み部３は、振動 ロッド２１，２２を含めて一体の金属成形部品として製作するのが有利である。

締付けねじ４１は、その対称軸がダイヤフラム３１のそれと合致するように配置 され、円筒形中空室３５内へ突入している、更に、励起・受信変換器４には、絶 縁管４２．６角ナツト４３、接続線４４．４５，４６，４７、圧電積層体５０が 備えられている。圧電積層体は、次の構成部品を有している： 金属リング５１ 絶縁リング５２ 電極リング５３ 環状の圧電素子５４ 電極リング５５ 環状に圧電素子５６ 電極リング５７ 絶縁リング５８ 電極リング５９ 環状の圧電素子６０ 電極リング６１ 絶縁リング６２ 電極リング６３ 絶縁リング６４ 金属リング６５ このなかで、電極リング５３，５５．５７と、環状の圧電素子５４．５６とで励 起変換器７０が、また電極リング５９．６０と圧電素子６０とで受信変換器７１ が、それぞれ形成されている。絶縁管４２は、圧電積層体５０の構成部品に対し 、締付けねじ４１を電気絶縁させている。

圧電積層体のすべての構成部品は、図示の実施例の場合、有利には等しい環状横 断面を有しているので、柱状の変換器は円筒形をなしており、締付けねじ４１に より案内されている。

各電極には、圧電積層体５０から突出するなお１つのはんだ付は用ラグが付加成 形されている。

金属リング５１．６５は、有利には真ちゅう製であり、一方では、ダイヤフラム ３１と６角ナツト４３との間に圧電積層体の必要な長さを得るためのスペーサと して役立ち、他方では圧電積層体の他の構成部品へ力を伝達するために役立って いる。特に、金属リング５１．６５の役割は次の点にある。すなわち、６角ナツ トが生じさせる面圧を圧電素子５４，５６．６０に対し平行に伝達することによ り、極めて破断しやすい圧電素子の曲げを防止する点である。金属リング５１は 、予圧と振動とに由来するダイヤフラム３１のゆがみが圧電素子５４．５６．６ ０へ伝達されないようにする。また、この措置によって、破断しやすい圧電素子 が曲げ荷重を受けるのが防止される。金属リング５１のところに付加形成された 加圧ビン６６．６７は、励起変換器７０に由来する、圧電素子５４．５６の長さ 変化をダイヤフラム３１へ伝達するのに役立っている。加圧ビン６６．６７、は 、対象的に向かい合った位置に円形リングに配置されている。この円形リングは 、ダイヤフラム３１の対称軸と同軸的な位置を占めている。この円形リングの直 径は、加圧ピン６６．６７の対称軸が振動ロッド２１．２２の対称軸と合致する ように選ばれている。

ダイヤフラム３１と金属リング５１との間に配置された加圧ピン６６．６７は、 金属リング５１が、ひいては圧電積層体５０が、常時、一様にダイヤフラムのと ころに支えられるようにする。このため、本発明により、金属リング５１のとこ ろに更に別の加圧ピンを付加形成することも可能である。これらの加圧ビンは、 その場合、すべてのビンが互いに等間隔となるように配置せねばらならない。そ うすることにより、図示の振動ロッド２１．２２のほかに、別の振動ロッドをダ イヤフラム３１のところに配置することも可能となる。

その場合、これら振動ロッドの対称軸も、同様に加圧ビンの対称軸と合致するよ うにせねばならない。このようにする必要が生じるのは、装置１により極めて粘 性の低い液体の充填レベルの測定及び（又は）監視をする場合である。

有利に構成するには、金属リング５１がビン６６．６７と一緒に単一の構造部品 を形成するようにする。しかし、また、加圧ビン６６．６７をダイヤフラム３１ と一体に形成することも可能である。あるいはまたビン６６．６７を個別部品と して製作し、溶接、接着、その他、当業者に公知の結合技術によりダイヤフラム ３１又は金属リング５１と結合してもよい。

ねじ込み部３には、振動ロッド２１，２２と反対の側に、軸方向に、図示されて いない電子ヘッドが続いている。この電子ヘッドには、装Ｗ１の電子回路が含ま れている。また、この電子ヘッドはケーシングにより取囲まれている。円筒形の 凹所３６は電子ヘッドのケーシングを受容するのに役立つ。この凹所３６は、振 動ロッドとは反対の側に軸方向に少しばかり延びており、中空室３５より直径が 大きい。図示されていない回路は、接続線４４．４５，４６．４７を介して励起 ・受信変換器４と電気的に接続されている。励起変換器７０は、接続線４４．４ ５を介して電気回路から供給される交流電圧を、振動ロッド２１．２２の機械的 振動に変換する。双方の電極５３．５７は、交流電圧源の一方の極、有利にはア ースと接続しておく。電極５５は、交流電圧源の他方の極に接続しておく。圧電 素子５４．５６は、したがって電気的には並列に、機械式には直列に接続されて いる。交流電圧が印加される結果、圧電素子５４．５６のそれぞれは、圧電積層 体５０の軸方向に変形（厚さが変化）する。この変形度は印加電圧に比例する。

圧電素子５４．５６の機械的な変形は加算される結果、与えられた印加電圧値に 対して、圧電積層体５０の長さ変化は倍加される。

受信変換器７１は、振動ロッド２１．２２とダイヤフラム３１の機械的振動を電 気的出力信号に変換する役割を有している。この出力信号は、接続線４６．４７ を介して電子回路に供給される。

電極６３はアースに接続され、受信変換器７１の遮蔽に役立っている。他方の側 での変換器７１の遮蔽には、次の事実が利用される。すなわち、励起変換器７０ の隣接電極５７がアースに接続され、このため直ちに受信変換器７１用の遮蔽電 極として用いることができる、という事実である。したがって、受信変換器７１ のこの側に付加的遮蔽電極を設けずに済ますことができる。

励起・受信変換器４の機能を次に説明する。締付けねじ４１と６角ナツト４３に より電圧積層体５０と加圧ピン６６．６７とを介して予圧が生せしめられている 結果、ダイヤフラム３１が凹状にたわみ、これによって振動ロッド２１．２２が 内方へ振れる。予圧力は、したがって、従来の公知技術とは異なり、ダイアフラ ム３１によってのみ弾性的に吸収され、ダイアフラム３１のばね作用が種々の熱 膨張をも補償する。

圧電積層体５０が、励起変換器７０に印加される交流電圧のため、その休止状態 に比して増大されると、予圧を受けたダイアフラム３１は更に凹状にたわむので 、振動ロッド２１，２２は更に内方へ振れる。これに対し、交流電圧の他方の半 周期においては、圧電積層体５０の長さが、その休止状態の長さに比して短縮さ れるが、その場合には、振動ロッド２１．２２が外方へ振れ、他方ダイアフラム ３１のたわみは、まず減少し、次いで予圧の調節に応じて逆のたわみに移行する ことができる。このたわみは、実際には極めて小さく、たとえば数ｋｍのオーダ ーにすることができる。

いまや当業者には次の点が明らかであろう。すなわち、励起変換器７０の作用に より、振動ロッド２１．２２は、その縦軸線と直角方向に、しかもその縦軸線を 含む共通の平面内を反対方向に振動せしめられるという点である。図示の構造と 各部品の寸法とにより大きな伝達作用が生じるので、十分な振幅を得るのに必要 な、圧電素子５４゜５６の変形は極めて小さい。振動が逆方向であるため、各振 動ロッド２１，２２によりダイアフラム３１の張りに及ぼされる交番の力が相互 に相殺される結果、振動エネルギーは、ねじ込み部３と図示されていない容器壁 とへの伝達によって失われることがない。

振動ロッド２１，２２とダイアフラム３１とから成る機械的な振動システムの戻 しばねは、ダイアフラム３１により形成されている。この振動システムの質量は 、一方では振動ロッド２１．２２の質量から成り、他方では振動運動のさい振動 ロッドにより連行される周囲媒体質量から成る。この連行される質量は、振動方 向に対して直角方向に配置されたパドル２５により増大する。機械的振動システ ムの自己共振周波数は、一方ではばねシステムの、一定不変と仮定できるばね定 数に従属し、他方では連行される質量に応じて可変の総質量に従属している。パ ドル２５を有する振動ロッド２１，２２が空気中にある場合には、連行される空 気質量は無視しうるものであり、実質的に振動ロッド２１．２２とダイアフラム 厚３１との質量により規定される自己共振周波数が生じる。

これに対し、パドル２５を有する振動ロッド２１．２２が充填物内へ浸漬される と、連行される質量が変化し、ひいては機械式振動システムの自己共振周波数も 変化する。容器壁内のねじ込み穴によって予め幅が制限されることを考慮に入れ た上で、図示のパドル２５の形式は最適の作用を生じる。明らかになった点は、 振動ロッド長さの６０％以上バドル２５を延長させて面積を増大させても、周波 数変化に関しては、もはや著しい改善が見られないという点である。

機械式振動システムの励起は、このシステムの自己共振周波数が変化する場合で も、この周波数を介して行われる。この励起は、通常の形式にしたがって、機械 的振動システム自体が、電気式発振器の周波数決定素子として機能することによ って行われる。この目的のため、受信変換器７１の双方の電極５９．６１が図示 されていない増幅器の入力部と接続されている。この増幅器の出力端子には、一 方では電極５３．５７が、他方では電極５５が接続されている。励起変換器７０ に印加される交流電圧の周波数は、したがって、つねに機械式振動システムの自 己共振周波数である。

振動システム２１，２２．３１と励起・受信変換器４の記述の構造により、連行 される質量が僅かに変化しても自己共振周波数に明確な変化が生じることが明ら かとなった。この自己共振周波数の明らかな変化は、ダイアフラム３１に凹状の たわみを生じさせる予圧により、振動ロッド２１゜２２に比較的大きい振幅が生 じる場合にも現れる受信変換器７１の出力信号に応じて制御される図示されてい ない表示及び（又は）切換え過程起動装置は、周波数の変化に応動するように構 成するのが有利である。しかし、また、受信変換器の出力信号により制御される 装置を、振動ロッド２１．２２の振幅変化に応動するように構成することも可能 である。周波数又は振幅の変化の評価に応じて、励起変換器の起動には比較的小 さい交流電圧で十分である。既述の構成の場合、応動感度に達するにはＩＯＶの 励起電圧で十分であることが分かった。励起電圧が低いことは、特に爆発の危険 のある区域で用いる場合に有利である。

励起電圧が低いことや、ダイアフラム３１を凹状にする予圧により振動ロッド２ １，２２に比較的大きい振幅が生じることと関連して、所要の励起出力もわずか である。このため、電子回路の構造も簡単化され、価格も安い。また、応動点も 極めて精確に調節できる。かくして、たとえば空気と泡との間の移行、又は泡と 液体との間の移行を検知することもできる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．容器内の所定充填レベルを量定及び（又は）監視する装置であって、縁部に 張られたダイアフラムに間隔をおいて取り付けられている、容器内に突入する少 なくとも２個の振動ロッドを有する機械式振動構成体と、積層配置された励起・ 受信変換器とが備えられており、この変換器が、振動ロッドを、その縦軸線に対 し直角方向で互いに反対方向に励起するための交流電圧により励起可能の少なく とも１個の圧電素子と、機械式振動構成体の振動を受取り電気的出力信号に変換 するための少なくとも１個の圧電素子とを備えている形式のものにおいて、ａ） ダイアフラム（３１）の、振動ロッド（２１，２２）と反対の側で、締付けねじ （４１）がか（３１）と固定結合されており、ｂ）励起・受信変換器（４）に加 圧ねじ（４１）が貫通しており、 ｃ）励起・受信変換器（４）が、ダイアフラム（３１）を凹状にする予圧のもと でダイアフラム（３１）と６角ナット（４３）との間に挟み付けられていること を特徴とする容器内の充填レベルを量定及び（又は）監視する装置。 ２．励起・受信変換器（４）が、環状の圧電素子（５４，５６，６０）、電極リ ング（５３，５５，５７，５９，６１，６３）、絶縁リング（５２，５８，６２ ．６４）、金属リング（５１５６）の積層と、締付けねじ（４１）とから成って おり、そのさい、環状の圧電素子（５４，５６）が電極リング（５３，５５，５ ７）とともに励起・受信変換器（４）の励起変換器（７０）を形成し、また、環 状の圧電素子（６０）が、電極リング（５９，６１）とともに受信変換器（７１ ）を形成することを特徴とする、請求項１記載の装置。 ３．圧電積層体（５０）を同時的に整列させ、固定させながら、締付けねじ（４ １）のナット（４３）を締付けたり弛めたりすることで、ダイアフラム（３１） が、予圧を与えられ、かつ調節されることを特徴とする、請求項１記載の装置。 ４．締付けねじ（４１）が絶縁体（４２）により取囲まれ、この絶縁体が締付け ねじ（４１）と圧電積層体（５０）との間を電気的に絶縁していることを特徴と する、請求項１記載の装置。 ５．金属リング（５１，５６）が圧電積層体（５０）の端部に配置されているこ とを特徴とする、請求項２記載の装置。 ６．圧電積層体（５０）の、ダイアフラム（３１）側の端部に金属リング（５１ ）が配置されていることを特徴とする、請求項４記載の装置。 ７．ダイアフラム（３１）と金属リング（５１）との間に加圧ピン（６６，６７ ）が設けられていることを特徴とする、請求項１，３，５，６のいずれか１項記 載の装置。 ８．少なくとも２個の加圧ピン（６６，６７）が等間隔で円形リングに配置され ており、この円形リングの対称軸は、ダイアフラム（３１）の対称軸と合致し、 各加圧ピン（６６，６７）は、それぞれ振動ロッド（２１，２２）に配属されて おり、各振動ロッドの対称軸は、配属の加圧ピン（６６，６７）の対称軸と合致 することを特徴とする請求項７記載の装置。 ９．受信変換器（７１）の環状圧電素子（６０）用の遮蔽材として、環状圧電素 子に密接していない、大地電位にある少なくとも１つの別の電極リング（６３） が配置されていることを特徴とする、請求項２記載の装置。 １０．受信変換器（７１）の環状圧電素子（６０）が、その両側に密接する電極 リンプ（５９，６１）を有し、励起変換器（７０）の、大地電位にある電極リン グ（５７）と、別の電極リング（６３）との間に、絶縁リング（５８，６４）を はさんで配置されていることを特徴とする、請求項２記載の装置。 １１．励起変換器（７０）が、電気的には並列接続の機械式には直列接続の環状 圧電素子（５４，５６）を含んでいることを特徴とする、請求項２記載の装置。 １２．圧電積層体（５０）のすべての構成要素が、実質的に等しい現状横断面を 有していることを特徴とする、請求項２記載の装置。 １３．各電極リング（５３，５５，５７，５９，６１，６３）に、はんだ付け用 ラグが付加形成されており、このラグを介して各電極リングは接続線（４４，４ ５，４６，４７）と電気接続されていることを特徴とする、請求項２記載の装置 。 １４．ダイアフラム（３１）が、ねじ込み部（３）の中空室（３５）が貫通して いない区域により形成されていることを特徴とする、請求項２記載の装置。 １５．振動ロッド（２１，２２）が、容器開口を通過しうるように寸法付けされ ていることを特徴とする、請求項１記載の装置。