JPH06500180A - 容器の所定充填レベルを確認／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】 容器の所定充填レベルを確認／監視する装置［技術分野］ 本発明は、容器内に侵入していて縁部の緊締されたダイヤフラムに相互間隔をお いて固定された少なくとも２本の振動バーを有する機械的な振動形成体と、前記 振動バーの縦軸線に対して横方向で相反方向に該振動バー相互を励振させかつ交 流電圧によって励起可能な少なくとも１つの圧電素子を有する励振変換器を含む 励振ユニットと、前記機械的振動形成体の振動を電気的な出力信号に変換する少 なくとも１つの圧電素子を有する受信変換器とを備えた、容器内の所定充填レベ ルを確認及び／又は監視する装置に関するものである。

［背景技術］ 前記形式の装置はドイツ連邦共和国特許出願公告第１７７３８１５号明細書に基 づいて公知である。該装置は、容器内に侵入するただ１本の振動バーを有するそ の他の公知の装置に対比して、各振動バーによってダイヤフラムに緊縛部に及ぼ される交番力が、相反方向の振動に基づいて互いに相殺されるので、容器壁に対 する伝達によって振動エネルギが消滅することがなくかつダイヤフラム緊締部の 機械的負荷が少なくなるという利点を有している。前記公知の装置では、ダイヤ フラムと結合された振動バーの端部が、機械的に互いに結合されていない２つの ブリッジによって互いに連結されており、各ブリッジは、ダイヤフラム上に載設 されたヨークと、該ヨークに跨がる湾曲部材とから成っている。一方のブリッジ は励振変換器と、また他方のブリッジは受信変換器と結合されており、この結合 のために変換器の圧電素子は前記湾曲部材とヨークとの間に締込まれている。励 振変換器は増幅器の出力端子に接続されており、該増幅器の入力端子は受信変換 器と接続されているので、振動の自動は機械的な振動形成体の固有共振振動数で 行なわれる。

前記増幅器の出力端子に接続された評価回路装置は、振幅の変化に応答するよう に構成されている。この装置の作用態様は、振動バーが充填物内へ侵入した際に は振動バーの機械的な振動が減衰されるので振動振幅の減少が生じ、この減少が 評価回路装置によって確認されて表示動作及び／又は切換え動作のレリーズを惹 起することに基づいている。

前記公知の装置が、機械的な振動形成体の構成と圧電式変換器の配置とに基づい て、振幅の変化に対する確実な応答を保証するためには、充填物による振動バー の比較的強い減衰を前提条件とすることが判った。

従ってこの公知の装置は、振動バーの隠蔽時に強い減衰を惹起するばら物質や高 粘性液体のような充填物を監視するために採用することができる。

容器内に侵入する２本の振動バーを備えた同形式の別の装置がドイツ連邦共和国 特許第３３３６９９１号明細書に基づいて公知になっている。当該特許明細書に 記載の装置は、振動バーから離反した方のダイヤフラム側に配置されたブリッジ を有し、該ブリッジは、両端部でそれぞれ振動バーと固定結合された撓み弾性質 のバー状支持材によって前記ダイヤフラムから間隔をおいて保持されている。励 振変換器及び受信変換器の圧電素子はこの公知の装置では１つの積層体を成して 配置されており、該積層体は、ダイヤフラムに凸面形状を形成するようにプレロ ードをかけて、再振動バー間に位置するダイヤフラム部分と前記ブリッジとの間 に締込まれている。当該ドイツ連邦共和国特許第３３３６９９１号明細書に記載 の発明の手段に基づいて、容器内に侵入する２本の振動バーを備えた当該形式の 装置を、いかなる任意の橿原の充填物のためにも適宜採用することができかつ低 い励起電圧と僅かな励振エネルギとでもって稼働させ得るように構成するという 課題がすでに解決されている。

更に又、やはり容器内に侵入する２本の振動バーを備えた同形式の装置がドイツ 連邦共和国特許第３９３１４５３号明細書に基づいて公知になっている。当該特 許明細書に記載の装置は、振動バーから離反した方のダイヤフラム側に配置され た励振変換器と受信変換器との積層体を有し、該積層体を１本の抗張ねじが貫通 している。当該特許明細書に基づいて又、ダイヤフラムに凹面形状を形成するよ うにプレロードをかけて励振変換器及び受信変換器を前記ダイヤフラムと六角形 ナツトとの間に締込んでおく構成手段がすでに公知になっている。当該特許明細 書に記載の別の構成手段によれば、励振変換器及び受信変換器の積層体とダイヤ フラムとの間に複数本の加圧ビンが緊締されており、該加圧ビンは同一の円形リ ング上に等間隔で配置されており、該円形リングの対称軸線はダイヤフラムの対 称軸線と合致している。当該ドイツ連邦共和国特許第３９３１４５３号明細書に 記載の発明の手段に基づいて、容器内に侵入する２本の振動パーを備えた当該形 式の装置を、いかなる任意の種類の充填物のためにも適宜採用することができか つ低い励起電圧と僅かな励振エネルギとでもって稼働させ得るように構成すると いう課題は、同様にすでに解決されている。しかしながら、この公知の構成手段 の欠点は、振動系を駆動するための加圧ビンの正確な方位づけが必要であり、か つ組付は時に駆動機構が傾斜する虞れがあることである。

［発明の構成］ 前記公知の装置を出発点とする本発明の課題は、容器内に侵入する少なくとも２ 本の振動バーを有する、容器の所定重点レベルを確認及び／又は監視する装置を 改良して、やはり低い励起交凍電圧と僅かな励振エネルギで稼働させると共に、 手頃なコストで少数の部品から製作することができかつ背景技術の欠点を避ける ことである。

それのみならず本発明は、ダイヤフラム直径をフルに活用することによって駆動 装置の一層高い効率が得られるという利点を提供するものである。また本発明の 装置では、外乱性振動に対する不感度が一層高くなることが判った。

前記課題を解決する本発明の構成手段は、請求項１に特徴部分として記載した点 にある。

更に又、本発明の装置によって得られる利点は、圧電素子の長さの変化に基づい てダイヤフラムに作用するモーメントが増大され、それによって振動バーの振動 振幅を増大させることである。

本発明の有利な実施態様と改良態様は請求項２以降に記載した通りである。

［発明を実施するための最良の形態コ 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

図１には符号１で所定の充填レベルを確認及び／又は監視する装置が図示されて いる。該充填レベル確認・監視装置は２本の振動バー２１．２２、螺入締結部材 ３及び励振・受信変換ユニツ４から成っている。前記の振動バー２１．２２は、 充填レベル確認・監視装置１によって充填レベルを確認又は監視しようとする容 器（図示せず）の内部に侵入している。両振動バーは等しい形状を有しているが 、ただ互いに縦軸線を中心として１８０″回動して配置されている。両振動パー は、容器内部から離反した方の側でダイヤフラム３１と固定的に結合されており 、該ダイヤフラムは螺入締結部材３の内部を容器内室に対して密閉している。各 振動バー２１．２２はそれぞれ１つの屈曲部２３．２４を有しているので、振動 パー相互の実買的に平行に位置している主部分は、前記ダイヤフラムと結合され た端部よりも大きな相互間隔を有している。前記屈曲部２３．２４に基づいて、 ダイヤフラム３１から同時になお伝達される縦方向振動残部が、振動バーに対し て横方向の振動に変換される。振動バーの主部分は円形横断面を有し、自由端部 では先細にされている。屈曲部２３．２４はダイヤフラム３１との結合部位では 、より大きな非円形横断面に拡大されている。

各振動バー２１．２２の自由端部には、該振動バーの軸線を含む平面に対して垂 直にパドル（櫂状体）２５が装着されている。各パドル２５は振動バーの自由端 部から比較的大きな長さにわたって延在し、その長さは振動パー長の４０〜６０ ％である。これに対して振動バーの縦軸線に対して垂直な各パドルの幅はパドル 延在長よりも著しく小さい、このパドル２５の幅と屈曲部２３．２４とは、振動 バー２１．２２が該振動バーに装着されたパドル２５と共に、容器壁（図示せず ）に設けられた開口を通って導かれるように互いに調和されている。これによっ てパドル２５の幅が比較的小さくなるにも拘らず、パドルの延在長が大きいため に大きな有効バドル面が生じる。

螺入締結部材３は円筒形状でありかつ円筒状の雄ねじ山３２を有し、該雄ねじ山 によって充填レベル確認・監視装置１は、該装置によって充填レベルを確認又は 監視しようとする容器（図示せず）の壁内に固定されている。このために１つの 孔が容器壁を貫通しかつ円筒状の雌ねじ山を有している。充填レベル確認・監視 装置１を容器壁内にねじ込むために、螺入締結部材３には六角形部３３が一体に 成形されており、該六角形部の面間隔はねじスパナの内法幅に相応している。圧 力密な締結はリング状のシール面３４によって保証されかつ該シール面と容器壁 との間にリング状パツキンを介在させて行なわれる。螺入締結部材３の内部を、 振動バー２１．２２から離反した方の側で円筒形中空室３５が貫通し、該中空室 の軸方向延在寸法は、螺入締結部材３の僅かな残部部分だけが貫通されないよう に選ばれており、前記残部部分は充填レベル確認・監視装置りのダイヤフラム３ １を形成する。励振・受信変換ユニツ４は螺入締結部材３の円筒形中空室３５内 に収容されている。

殊に有利には振動バー２１．２２、バドル２５、螺入締結部材３及びダイヤフラ ム３１は一体の金属成形部品として製造されている。

充填レベル確認・監視装置１を容器の任意のいかなる部位にも組込むことができ るのは勿論である０例えば充填レベルの測定及び／又は監視をどのように行なう か、その役目に応じて充填レベル確認・監視装置１を容器肩壁や容器蓋に組付け ることが可能である。

図２には励振・受信変換ユニッ４の構成が図示されている。該励振・受信変換ユ ニッは、ダイヤフラム３１と固着結合された抗張ねじ４１から成っている。前記 の固着結合は、当業者にとって公知の手段で、例えば溶接や接着などによって行 なうことができる。しかし抗張ねじ４１は、螺入締結部材３を振動バー２１゜２ ２を含めて有利に製作できるところの、一体の金属成形部品の一部分であっても よい。

抗張ねじ４１は、該抗張ねじの対称軸線がダイヤフラム３１の対称軸線と合致す るようにダイヤフラム３１に配置されておりかつ円筒形中空室３５内に侵入して いる。更にまた励振・受信変換ユニツ４は、絶縁管４２と六角形ナツト４３と接 続導線４４，４５，４６゜４７並びに圧電積層体５０から成っている。

該圧電積層体５０は下記の構成部分から成っている。

すなわち： 金属リング５１、 絶縁リング５２、 電極リング５３、 リング状圧電素子５４、 電極リング５５、 リング状圧電素子５６、 電極リング５７、 絶縁リング５８、 電極リング５９、 リング状圧電素子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゜ 前記構成部分のうち、電極リング５３．５５及び５７並びにリング状の圧電素子 ５４及び５６が励振・受信変換ユニツ４の励振変換器７０を形成し、また電極リ ング５９及び６１並びにリング状の圧電素子６ｏが励振・受信変換ユニツ４の受 信変換器７１を形成している。絶縁管４２は、圧電積層体５０の構成部分に対す る抗張ねじ４１の電気絶縁体を形成している。

圧電積層体のすべての構成部分は図示の例では有利に等しいリング状横断面を有 しているので、変換器柱は円筒形でありかつ抗張ねじ４１によってガイドされる 。

各電極リングには、圧電積層体５０から張出した鑞接片が一体に成形されている 。金属リング５１及び６５は殊に有利には真鍮から成り、かつ、ダイヤフラム３ １と六角形ナツト４３との間で必要とされる圧電積層体５０の長さを得るための スペーサ部材として役立つ一方、該圧電積層体のその他の構成部分に力を伝達す るためにも役立つ、特に金属リング５１．６５の役目は、六角形ナツトによって 発生される面圧がリング状圧電素子５４，５６．６０に対して平行に伝達され、 ひいては破損し易い圧電素子の曲りが排除される。金属リング５１は、プレロー ドと振動とに起因したダイヤフラム３１の歪みをリング状圧電素子５４，５６゜ ６０に伝達させないようにする。この手段は又、破損し易い圧電素子が曲げ応力 を受けるのを防止する。

ダイヤフラム３１の円形内面は半径方向で中空室３５の外周面にまでは延びず、 より小さな直径を有している。ダイヤフラム３１の内側では軸方向で、振動バー ２１．２２から離反した方の側に短い円筒形の凹設部が延びている０Ｍ円筒形凹 設部の外周面はダイヤフラムの内周面と合致しかつ中空室３５との直径差によっ て肩６６を形成している。該肩６６は円筒形横断面を有しかつ円周線は中空室３ ５の外周面と合致している。

前記肩６６は、励振変換器７０に基づく圧電素子５４．５６の長さ変化をダイヤ フラム３１に伝達する役目を有している。このために金属リング５１は円環面で もって肩６６の円環面上に支持されている。

六角形ナツト４３によって発生されるダイヤフラム３１のプレロードは１本発明 ではまた金属リング５１の支持円環面を介して、肩６６の円環面に、ひいてはダ イヤフラム３１に伝達される。

螺入締結部材３の軸方向延長線上で該螺入締結部材には、振動バー２１．２２か ら離反した方の側で電子機器ヘッド（図示せず）が配置されている。該電子機器 ヘッド番よ充填レベル確認・監視装置１の電子回路装置を内蔵している。電子機 器ヘッドはケーシングによって包囲されている。振動バーから離反した方の側で 短く軸方向に延びかつ前記中空室３５よりも大きな直径を有する円筒形凹設部３ ６は、電子機器ヘッドケーシングを収容するために使用される。電子回路装置（ 図示せず）は接続導線４４，４５，４６．４７を介して励振・受信変換ユニット ４と電気的に接続されている。

励振変換器７０は、電子回路装置から接続導線４４゜４５を介して供給される交 流電圧を振動バー２１，２２の機械的な振動に変換する役目を有している。２つ の電極リング５３．５７は交流電圧源の一方の極、殊に有利には接地端子と接続 され、また電極リング５５は交流電圧源の他方の極に接続されている。圧電素子 ５４と５６とは電気的には並列に、また機械的には直列に接続されている。交流 電圧が印加されると各圧電素子５４と５６は圧電積層体５０の軸方向で変形され （厚さを変化させられ）、該軸方向変形は印加電圧に比例している。

圧電素子５４と５６の機械的な変形は合算されるので、印加される交流電圧の大 きさが規定されている場合は、圧電積層体５０の長さ変化の倍増が得られる。

受信変換器７１は、振動パー２１．２２とダイヤフラム３１との機械的振動を電 気的な出力信号に変換する役目を有しており、該出力信号は接続導線４６，４７ を介して電子回路装置に供給される。電極リング６３は接地されておりかつ受信 変換器７１を遮蔽するために役立つ、他方の側で受信変換器７１を遮蔽するため には、励振変換器７０の隣接した電極リング５７が接地されおり、従って受信変 換器７１の励振変換器寄りでは同時に遮蔽電極として作用するという事実が活用 される。

励振・受信変換ユニット４の機能を次に説明する。

抗張ねじ４１と六角形ナツト４３によって圧電積層体５０と金属リング５１を介 して肩６６に、ひいてはダイヤフラム３１にプレロードが発生されることに基づ いてダイヤフラム３１は凹面状に撓曲され、これによって振動パー２１と２２は 内向きに旋回させられる。

従ってプレロード力はダイヤフラム３１のみによって弾性的に吸収され、かつダ イヤフラム３１のばね作用は種々異なった熱膨張も補償する。

励振変換器７０に交流電圧が印加されることに基づいて圧電積層体５０がその不 作用長さに対比して増大されているので、プレロードのかけられたダイヤフラム ３１はなお一層凹面状に撓曲され、これによって振動パー２１と２２は更に内向 きに旋回させられる。これに対して交流電圧の別の半周期において圧電積層体５ ０の長さが不作用長さよりも短縮されると、振動パー２１．２２は外向きに振動 する一方、ダイヤフラム３１の撓曲は先ず減衰し、次いで設定プレロード値に応 じて逆向きの撓曲へと移行することができる。

前記撓曲の度合は実際には極めて小さく、例えば数μｍオーダーである。

当業者には容易に判るように、圧電積層体５０における励振変換器７０の作用に よって振動パー２１と２２は、両縦軸線を含む共通の平面内で各自の縦軸線に対 して横方向で相反方向に振動させられる。構成部分を前記のように構成し設計す ることによって大きな伝達作用が得られるので、充分な振動振幅を得るために必 要な圧電素子５４．５６の変形は極めて小さい、相反方向の振動に基づいて各振 動パー２１．２２からダイヤフラム３１の固定部に及ぼされる交番力が相互に相 殺されるので、振動エネルギが、螺入締結部材３及び容器壁への伝達によって消 失することはない。

振動パー２１．２２とダイヤフラム３１とから成る機械的な振動系の戻しばねは ダイヤフラム３１によって構成されている０機械的な振動系の質量は一方では振 動パー２１．２２から、また他方では、振動運動時に振動パーによって連行され る周辺媒体の質量から成っている。この連行質量は、振動方向に対して直角な横 方向に配置されたバドル２５によって増大される。

機械的な振動系の固有共振振動数は一方では、コンスタントと見做されるばね系 のばね定数に関連し、また他方では連行される質量に応じて可変である総賀量に 関連している。振動パー２１．２２のバドル２５が空気中にある場合には、空気 の連行される質量は無視することができ、かつ、実質的に振動パー２１．２２の 質量とダイヤフラム３１の質量とによって決まる固有共振振動数が生じる。これ に対して振動パー２１．２２のバドル２５が充填材料中に侵入している場合には 、連行される質量は変化し、ひいては機械的な振動系の固有共振振動数も変化す る。容器壁内の螺入締結穴によって規定された幅の制約を考慮すれば、バドル２ ５の図示の形状によって最適の作用が生じる。バドル２５を振動パー長の６０％ 以上に延長することによって作用面を増大したとしても、振動数の変化に関して もはや実質的な改善は得られないことが判った。

機械的な振動系の励振は、たとえ固有共振振動数が変化しても、常に固有共振振 動数で行なわれる。この励振は慣用の方法のように、機械的な振動系自体を電気 的な振動発生器の振動数決定素子として働かせることによって行なわれる。この 目的のために受信変換器７１の両電極リング５９及び６１は、図示を省いた増幅 器の入力端子と接続されており、該増幅器の出力端子には一方では励振変換器７ ０の電極リング５３．５７が、また他方では該励振変換器の電極リング５５が接 続されている。従って励振変換器７０に印加される交流電圧の周波数は常に機械 的な振動系の固有共振振動数に追従する。

機械的な振動系２１，２２．３１及び励振・受信変換ユニット４を前記のように 構成することによって、連行質量がご（僅かに変化してもすでに固有共振振動数 の顕著な変化が生じることが判った。この固有共振振動数の顕著な変化は、ダイ ヤフラム３１を凹面状に負荷するプレロードによって振動パー２１．２２の比較 的大きな振動振幅が惹起される場合にも発生する。

受信変換器７１の出力信号に関連して制御される、表示動作及び／又は切換え動 作レリーズ装置（図示せず）は、周波数の変化に応答するように構成されている のが殊に有利である。しかし又、受信変換器の出力信号によって制御される装置 を、振動パー２１．２２の振幅の変化に応答するように構成することも容易に可 能である。周波数変化又は振幅変化の評価とは関わり無く励振変換器を制御する ためには比較的小さな交流電圧で充分である。前記のように構成した場合、敏感 な応答度を得るための励起電圧は１０■で充分である。低い励起電圧は、爆発の 危険のある領域で当該装置を使用する場合に、特に有利である。

低い励起電圧と、ダイヤフラム３１を凹面状に負荷するプレロードによって惹起 される振動バー２１，２２のより大きな振動振幅と相俟って所要の励起電力が小 さくなり、これによって電子回路装置の構成が単純化されかつ低置になる。また 応答点を正確に設定することも可能である０例えば空気と泡との間又は泡と液体 との間の移行部を検出することが可能である。

へ 図面の簡単な説明 図１は本発明の充填レベル確認・監視装置の部分的な縦断面図である。

図２は図１に示した本発明の充填レベル確認・監視装置の螺入締結部材の拡大縦 断面図である。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．容器内に侵入していて縁部の緊締されたダイヤフラムに相互間隔をおいて固 定された少なくとも２本の振動パーを有する機械的な振動形成体と、前記振動バ ーの機軸線に対して横方向で相反方向に該振動バー相互を励振するために交流電 圧によって励起可能な少なくとも１つの圧電素子と、前記機械的振動形成体の振 動を電気的な出力信号に変換して受信するための少なくとも１つの圧電素子とを 備えた、容器内の所定充填レベルを確認及び／又は監視する装置であって、 （ａ）前記振動バー（２１，２２）から離反した方のダイヤフラム（３１）の側 で１本の抗張ねじ（４１）が前記ダイヤフラム（３１）と固定的に結合されてお り、 （ｂ）前記抗張ねじ（４１）が励振・受信変換ユニット（４）を貫通しており、 （ｃ）前記励振・受信変換ユニット（４）が、ダイヤフラム（３１）に凹面状を 形成させるプレロードをかけて該ダイヤフラム（３１）と六角形ナット（４３） との間に緊締されている形式のものにおいて、 （ｄ）前記振動バー（２１，２２）から離反した方のダイヤフラム（３１）の側 に、肩（６６）が一体成形されており、該肩が前記ダイヤフラム（３１）の円形 内面をリング状に包囲して半径方向に延びており、かつ、 （ｅ）前記励振・受信変換ユニット（４）が、金属リング（５１）のリング面で もって前記肩（６６）のリング面に支持されている ことを特徴とする、容器内の所定充填レベルを確認及び／又は監視する装置。
2. ２．励振・受信変換ユニット（４）が、リング状圧電素子（５４，５６，６０） 、電極リング（５３，５５，５７，５９，６１，６３）、絶縁リング（５２，５ ８，６２，６４）及び金属リング（５１，６５）の圧電積層体（５０）並びに抗 張ねじ（４１）から成っている、請求項１記載の装置。
3. ３．抗張ねじ（４１）の六角形ナット（４３）を緊締又は弛緩することによって ダイヤフラム（３１）のプレロードが調整されると同時に、前記圧電積層体（５ ０）が整列されて固定されている、請求項２記載の装置。
4. ４．抗張ねじ（４１）が、該抗張ねじ（４１）と圧電積層体（５０）との間の電 気絶縁を形成する絶縁体（４２）によって包囲されている、請求項２記載の装置 。
5. ５．金属リング（５１，６５）が圧電積層体（５０）の両端に配置されている、 請求項２記載の装置。
6. ６．金属リング（５１）が、ダイヤフラム（３１）に対面した圧電積層体（５０ ）の端部に配置されている、請求項４記載の装置。
7. ７．リング状圧電素子には接していず少なくとも１つの大地電位に接続された電 極リング（６３）が受信変換器（７１）のリング状圧電素子（６０）のための遮 蔽体として配置されている、請求項２記載の装置。
8. ８．受信変換器（７１）のリング状圧電素子（６０）が、該圧電素子の両面に接 する電極リング（５９，６１）と共に、絶縁リング（５８，６４）を介在させて 励振変換器（７０）の大地電位の電極リング（５７）と別の電極リング（６３） との間に配置されている、請求項２記載の装置。
9. ９．励振変換器（７０）が、電気的には並列接続され、また機械的には直列接続 された２つのリング状圧電素子（５４，５６）を含んでいる、請求項２記載の装 置。
10. １０．圧電積層体（５０）のすべての構成部分が実質的に等しいリング状横断面 を有している、請求項２記載の装置。
11. １１．各電極リング（５３，５５，５７，５９，６１，６３）には、夫々１つの ■接片が一体成形されており、該■接片を介して電極リングが接続導線（４４， ４５，４６，４７）と電気的に接続されている、請求項２記載の装置。
12. １２．ダイヤフラム（３１）が、螺入締結部材（３）の中空室（３５）によって 貫通されていない区分から構成されている、請求項１記載の装置。
13. １３．振動バー（２１，２２）が、容器の開口を通って装入可能に構成されてい る、請求項１記載の装置。