WO2014184307A2 - Füllstandmessvorrichtung - Google Patents

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    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level

Definitions

  • the invention relates to a level measuring device comprising a membrane and a drive unit driving this membrane, wherein oscillating rods are regularly formed on the membrane.
  • the drive unit is a stack of piezoelectric elements with a tension bolt for driving the piezoelectric elements.
  • Stack of piezoelectric elements is arranged between a biasing element, in particular a biasing nut, and a diaphragm contacting the pressure ring.
  • a biasing element in particular a biasing nut
  • a diaphragm contacting the pressure ring.
  • the Applicant meanwhile also distributed vibration limit switch with screwed, piezo-electric drive, wherein the drive is supported on a fixed to the pipe wall of the housing of the level measuring device intermediate bottom ,
  • Such level measuring devices are disclosed, for example, in DE 10 2007 041 349 A1.
  • the present in this level measuring device bolt no longer works as a draw bolt, but as a pressure pin.
  • This pressure pin is at its end facing the diaphragm fixed with said intermediate bottom in conjunction and at its upper end with a biasing element, in particular a biasing nut, provided, through which the stack of piezo-electric elements against a cross-bottom gripping pressure piece in the direction of the center the membrane can be pressed.
  • a biasing element in particular a biasing nut, provided, through which the stack of piezo-electric elements against a cross-bottom gripping pressure piece in the direction of the center the membrane can be pressed.
  • the invention has the aim to indicate a level measuring device, which effectively avoids the disadvantages occurring in the prior art level measuring devices.
  • the fill level measuring device to be found should be designed in such a way that a sufficiently high electrical signal amplitude is delivered both with positive and negative process pressures and thus the entire arrangement remains functional.
  • the invention is therefore essentially based on providing a filling ⁇ stand measuring device with the following features:
  • the first drive unit and the second drive ⁇ unit are mechanically connected to each other in series GE.
  • the basic idea of the present invention is thus to combine the previously known two drive concepts with each other, in such a way that both drive concepts are connected me ⁇ chanically in series.
  • one of the two drive units is always mechanically loaded and another mechanically relieved both with positive and negative process pressures. So there is always a functioning drive available. So could turn the one who ⁇ drive unit, which is relieved at an outer posi tive ⁇ pressure, for example, at a positive pressure process, that the drive unit with the second pin. In this case, however, the drive unit is more heavily loaded with the first bolt and thus the entire measuring device remains functional.
  • the two drive units can be operated together and thus in parallel on a control electronics, so that the additive amplitude of the two drive units over a further pressure range is always sufficiently large.
  • the two drive units are operated separately with different control circuits, in which case their results only have to be logically linked.
  • FIG. 1 shows the basic structure in a sectional view of a known level measuring device with a drive unit and tie bolt
  • FIG. 2 shows the basic structure in sectional view of a known level measuring device with a drive unit and bolt and associated intermediate floor
  • FIG 3 shows a first embodiment of a fill-level measuring device ⁇ according to the invention, wherein the second drive unit is arranged according to Figure 2 above the first to ⁇ drive unit of Figure 1,
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a fill-level measuring device ⁇ according to the invention, wherein the drive unit is known from Figure 1 is located above the known from ⁇ Fi gur drive unit 2, and
  • Figure 5 shows a third embodiment of the invention, in which the first and second drive unit zueinan ⁇ are arranged coaxially.
  • like reference numerals designate like parts with the same meaning.
  • Figure 1 shows the basic structure of a known level measuring device with a drive unit and a first pin, which acts as a tie bolt, in a sectional view.
  • a level measuring device is known, for example, from DE 100 23 302 C2, so that in connection with FIG. 1, therefore, only the essential components of this level measuring device have to be discussed.
  • the device has a cylindrical housing 1, which is closed at its bottom with a membrane 3.
  • the membrane is preferably connected to a side facing away from the pot of the housing 1 side with two forks 4 in a known manner in connection.
  • a first drive unit 10 which in the present case a first pin 12, here has a tension bolt, which is fixed in one piece with its lower end in the center of the membrane 3.
  • a first stack 16 of piezo elements 17 is arranged around the first pin 12 around a first stack 16 of piezo elements 17 is arranged.
  • the individual piezoelectric elements 17 preferably do not touch the tension bolt 12 on their coaxial inner side.
  • the first stack 16 of piezo-electric elements 17 which, of course, by other suitable drive devices, it ⁇ puts his can has a bottom, the membrane 3 towards supplied ⁇ turned bottom side 16a and an opposite upper surface 16b. Between the bottom side 16a and the membrane 3 is a first pressure piece 14, through which the entire first stack 16 on top of the diaphragm 3 is seated on annular ⁇ . At the upper, free end of the first bolt 12 There is a first biasing member 18, in this case a biasing screw, via which against the top 16b and da ⁇ with the entire first stack during rotation of the biasing member 18 pressure can be exerted, so that a bias against the diaphragm 3 is adjustable.
  • Such a level measuring device is preferably used as Vibra- tion boundary level sensor and is also ideally suited for this purpose.
  • a positive Pro ⁇ process pressure gauge pressure
  • the diaphragm 3 through this positive process pressure upwardly through bends in the interior of the housing 1, and thus first in the direction Antriebsein ⁇ integrated 10th
  • This positive process pressure is indicated in FIG. 1 by P +.
  • the arrows in the direction of the diaphragm 3 indicate that they are pointing upwards, that is, into the interior of the housing
  • FIG. 2 shows a second filling level measuring device, as known per se and, for example, in US Pat
  • the basic structure of this known level measuring device in turn has a cup-shaped housing 1, on the underside of the membrane 3 with forks 4 mechanically fixed tethered.
  • the center of the diaphragm is provided inside the housing with a pin piece 20 extending into the housing 1.
  • a second drive unit 30 is coupled, for which purpose an intermediate bottom part 31 is preferably provided orthogonal to the walls of the housing 1.
  • openings 33 are provided, through which engages a U-shaped thrust piece 34, which is fixed with its underside at the upper end of the pin piece 20.
  • On the upper side of the second pressure piece 34 sits a stack 36 of piezoelectric elements 37.
  • This stack 36 with its piezoelectric elements 37 is in turn arranged coaxially around a second 32.
  • This second bolt 32 is attached at its lower end in the middle of the intermediate bottom part 31.
  • a biasing member 38 which preferably has a preload nut or a biasing screw is over which the top side can be pressed 36b of the stack 36 of piezo-electric elements 37 against the second pressure piece 34th
  • the stack 36 of piezoelectric elements 37 is for this purpose with its bottom side 36a on the pressure piece 34.
  • the second bolt 32 is thus also in operative connection with the membrane 3.
  • the drive unit 30 is in the Anord ⁇ tion of Figure 2 in the unpressurized state, ie that the pressure outside of the housing 1 is equal to the pressure within the hous ⁇ ses 1 of the level measuring device, placed over the second biasing member 38 under pressure, ie the second bolt 32 is under train.
  • a positive process pressure P + outside of the housing 1 that is, a pressure which is greater outside the housing 1 than inside the housing 1, this results in that the entire drive 30 of Figure 2 is further loaded and the mechanical coupling of the piezo electrical elements 37 becomes even larger, which is wanted.
  • the diaphragm 3 bulges inward into the housing 1 and the mechanical coupling of the piezo ⁇ electric elements 37 is reduced.
  • a first embodiment of a level ⁇ measuring device is shown according to the invention, in which in turn a membrane 3 with forks 4 and a housing 1 is provided.
  • the concept of the drive units is combined with one another from the level measuring devices described above.
  • a first drive unit 10 is provided with a with the membrane 3 ge ⁇ coupled first pin 12 in the interior of the housing and also a two-th driving unit 30 are provided with an input coupled to the diaphragm 3 second bolt 32.
  • the first drive unit 10 and the second drive unit 30 to each other mechanically Se ⁇ series connected.
  • the level measuring device explained in connection with FIG. 2 is placed above the level measuring device shown in FIG.
  • the already known reference numerals stand for the same parts.
  • a special constructional configuration results from the fact that the upper end of the first bolt 12 is still in communication with the first pretensioning element 18, that is to say a pretensioning screw.
  • This first biasing member 18 acts per ⁇ but at the same time as the second pressure piece 34.
  • the second pressure piece 34 is fixedly connected to the first biasing member 18.
  • the arrangement of a level measuring device illustrated in FIG. 3 is again preferably usable as a vibration limit level sensor and has the great advantage that a sufficient electrical amplitude is supplied both with positive and negative process pressures and thus the entire arrangement remains functional.
  • Both positive and negative process pressures are always one of the two stacks 16, 36 mechanically loaded and the other stack 36, 16 mecha ⁇ nisch relieved. So always there is a functioning On ⁇ drive unit 10 or 30 are available. At a positive process pressure while the lower drive unit 10 is relieved, which can lead to functional failure of the first drive ⁇ unit 10.
  • the above it is loaded second stack of piezoelectric elements 36, 37 so that the second drive unit 30 remains func ⁇ onstrise in any case.
  • the level measuring device of Figure 3 is designed so that at a pending positive pressure always one of the drives 16, 36 relieved and the other drive 16, 36 is charged. This is further explained in the table below. times shown. It does not matter which sign the acting process pressure has. It is always one of the two drives 16, 36 loaded more and the other drive 16, 36 more relieved.
  • the diaphragm does not dent.
  • the two piezo-electric methods stacks 16, 36 of the first drive unit 10 and the second on ⁇ drive unit 30 are pressurized via the respective biasing elements 18, 38, so that both the first bolt 12 and second bolt 22 are under the train.
  • the two drive units 10, 30 jointly, that is parallel, to be operated from a common control electronics, so that the amplitude of the two additives on ⁇ drive units 10, 30 over a wide pressure range is always sufficiently large.
  • the output signals of the drive units 10, 30 then have to be logically linked to one another only in a corresponding manner.
  • the embodiment of Figure 4 shows a second Ausrete ⁇ tion of a level measuring device according to the present invention.
  • the first drive unit 10 located with the first bolt 12 is now located above the second drive unit 30 with the second bolt 32.
  • the second drive unit 30 is located, similar to FIG.
  • both the pin member 20 and the second pin 32 is formed as a hollow wall tube, so that by this the first pin 12 of the first drive unit 10, which sits above the second drive unit 30 in this embodiment can.
  • This first pin 12 is fixed by its lower end centrally at the top of the membrane 3 and extends through the bolt ⁇ piece 20 and the second pin 32. At its upper end, this first pin 12, in turn comprising a first biasing member 18, preferably a preload nut, in connection to the first stack 16 of piezoelectric elements 17 on the specially designed first pressure member 14 against the membrane
  • the first pressure piece 14 has parallel to the housing 1 extending wall portions 14a, which surround the second drive unit ⁇ unit 30 and at its upper end by a plate-shaped element 14b drops, on which the stack 16 of piezoelectric elements 17 is seated. At its lower end, the wall portions 14a, which reach through the mentioned Publ ⁇ voltages 39 in the intermediate base member 31, in turn, off of an element, however, is formed annularly concluded. This annular element is denoted by reference numeral 14c.
  • this ringförmi ⁇ gene element 14c surrounds the pin member 20 and has on its side facing the diaphragm 3 via a conically tapered in section pressure ring portion 14d, over which exerted corresponding pressure of the first biasing member 18 corresponding pressure on the top of the membrane 3 can be.
  • arrangement therefore is the first drive unit 10 to the first bolt 12 upper ⁇ half of the second drive unit 30 to the second bolt 32nd
  • Figure 5 shows a third embodiment of a level measuring device according to the invention.
  • the first drive unit 10 and the second drive unit 30 are placed coaxially with each other.
  • the arrangement corresponds largely to the arrangement of Figure 4.
  • the individual piezo-electric elements of the first elements 17 of the first stack 16 of the first driving unit 10 so designed that it can be coaxially disposed about the two ⁇ te drive unit 30 around.
  • the Ers ⁇ te biasing member 18 must be made correspondingly large in diameter.
  • a level measuring ⁇ device is provided with a membrane 3, in which the first drive unit 10 with a coupled to the membrane 3 first pin 12 and a second drive unit with a with the membrane 3 in Actually connected second bolt is provided.
  • the first drive The unit 10 and the second drive unit 30 are also mechanically connected in series.

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Abstract

Füllstandmessvorrichtung mit folgenden Merkmalen: - einem Gehäuse (1), - eine Membran (3), - eine erste Antriebseinheit (10) mit einem mit der Membran (3) gekoppelten ersten Bolzen (12), - eine zweite Antriebseinheit (30) mit einem mit der Membran (3) in Wirkverbindung stehenden zweiten Bolzen (32), welcher an seinem der Membran (3) zugewandten Ende über einen Zwischenboden (31) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist und - die erste Antriebseinheit (10) und die zweite Antriebseinheit (30) sind zueinander mechanisch in Serie geschaltet.

Description

Füllstandmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Füllstandmessvorrichtung mit einer Membran und einer diese Membran antreibenden Antriebseinheit, wobei regelmäßig an der Membran Schwingstäbe angeformt sind.
Solche Füllstandmessvorrichtungen sind beispielsweise aus dem deutschen Patent DE 100 23 302 C2 bekannt. Als Antriebseinheit dient ein Stapel von piezo-elektrischen Elementen mit einem Zugbolzen zum Antreiben der piezo-elektrischen Elemente. Der
Stapel von piezo-elektrischen Elementen ist dabei zwischen einem Vorspannelement, insbesondere einer Vorspannmutter, und einem die Membran berührenden Druckring angeordnet. Obwohl solche Füllstandmessvorrichtung ausgezeichnet geeignet sind, Füllstände zu erfassen, besteht ein Nachteil dieser Antriebs¬ art darin, dass der vorgespannte Antriebsstapel aus piezo¬ elektrischen Elementen bei einem positiven Prozessdruck (Überdruck) aufgrund der sich durchbiegenden Membran und des außermittig aufliegenden Druckrings entlastet wird. Daraus folgt bei zunehmendem Prozessdruck eine geringere mechanische Kopp¬ lung der piezo-elektrischen Elemente. Eine solche geringe me¬ chanische Kopplung führt zu geringer werdenden elektrischen Amplituden, die sogar zum völligen Ausfall der Antriebseinheit führen können. Dieser Effekt kann zwar durch Anlegen einer hö- heren Vorspannung an den piezo-elektrischen Elementen ausgeglichen werden, allerdings nur bis zu einem begrenzten Umfang, da die einzelnen piezo-elektrischen Elemente zum einen eine mechanische Belastungsgrenze aufweisen sodass eine erhöhte Bruchgefahr bei zu hoher Vorspannung besteht und zum anderen unter zu großem Druck eine Depolarisierung erfahren. Problematisch ist ferner, dass die Membran mit größerer Vorspannung der Antriebseinheit eine strukturmechanische Versteifung er¬ fährt . Um diesen Nachteil zu vermeiden, also eine Entlastung des Stapels unter einem positiven Prozessdruck zu umgehen, werden von der Anmelderin zwischenzeitlich auch Vibrationsgrenzschalter mit geschraubten, piezo-elektrischem Antrieb vertrieben, wobei sich der Antrieb an einen an der Rohrwandung des Gehäuses der Füllstandmessvorrichtung befestigten Zwischenboden abstützt. Solche Füllstandmessvorrichtungen sind beispielsweise in der DE 10 2007 041 349 AI, offenbart. Der in dieser Füllstandmess- Vorrichtung vorhandene Bolzen funktioniert hier nicht mehr als Zugbolzen, sondern als Druckbolzen. Dieser Druckbolzen ist an seinem der Membran zugewandten Ende feststehend mit dem erwähnten Zwischenboden in Verbindung und an seinem oberen Ende mit einem Vorspannelement, insbesondere einer Vorspannmutter, versehen, durch welche der Stapel aus piezo-elektrischen Elementen gegen ein durch den Zwischenboden greifendes Druckstück in Richtung Mitte der Membran gedrückt werden kann. Eine solche Anordnung der Füllstandmessvorrichtung hat den Vorteil, dass die gesamte Antriebseinheit durch einen positiven Pro- zessdruck belastet wird. Dabei nimmt die elektrische Amplitude also mit zunehmendem Druck nicht ab, wie es bei den eingangs genannten Füllstandmessvorrichtungen der Fall ist.
Bei dieser zweiten Antriebsart ist es jedoch nachteilig, dass jetzt bei einem negativen Prozessdruck (Unterdruck) der Stapel von piezo-elektrischen Elementen entlastet wird. Da die Antriebsseite der Membran in der Regel unter Atmosphärendruck liegt, ist die Höhe eines negativen Prozessdruckes physika¬ lisch zwar auf -1 Bar begrenzt. Geht man jedoch von dünnen Membranen aus, was zum Beispiel bei einer Verkleinerung der Füllstandmessvorrichtung zwangsläufig notwendig wäre, kann auch dieser Druck bereits zu einer Antriebsentlastung führen. Auch bei Anwendungen mit höheren Temperaturen kann eine solche Antriebsentlastung eintreten, da hier eine zusätzliche Entlastung aus der axialen Bolzenausdehnung resultiert.
Die Erfindung hat das Ziel, eine Füllstandmessvorrichtung an- zugeben, die die bei den vorbekannten Füllstandmessvorrichtungen auftretenden Nachteile wirksam vermeidet. Dabei soll die aufzufindende Füllstandmessvorrichtung so gestaltet sein, dass sowohl bei positiven als auch negativen Prozessdrücken eine ausreichend hohe elektrische Signalamplitude geliefert wird und somit die gesamte Anordnung funktionsfähig bleibt.
Diese Aufgabe wird durch eine Füllstandmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Füllstandmessvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht also im Wesentlichen darauf, eine Füll¬ standmessvorrichtung mit folgenden Merkmalen bereitzustellen:
- ein Gehäuse,
eine Membran,
eine erste Antriebseinheit mit einem mit der Memb- gekoppelten ersten Bolzen,
eine zweite Antriebseinheit mit einem mit der Memb¬ ran in Wirkverbindung stehenden zweiten Bolzen, welcher an seinem der Membran (3) zugewandten Ende über einen Zwischenboden (31) mit dem Gehäuse ver bunden ist und
die erste Antriebseinheit und die zweite Antriebs¬ einheit sind zueinander mechanisch in Serie ge schaltet . Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung besteht also darin, die vorbekannten beiden Antriebskonzepte miteinander zu kombinieren, und zwar derart, dass beide Antriebskonzepte me¬ chanisch in Serie geschaltet sind. Das führt dazu, dass sowohl bei positiven als auch negativen Prozessdrücken immer einer der beiden Antriebseinheiten mechanisch belastet und ein anderer mechanisch entlastet wird. Damit steht also immer ein funktionsfähiger Antrieb zur Verfügung. So könnte beispielsweise bei einem positiven Prozessdruck die¬ jenige Antriebseinheit ausfallen, die bei einem äußeren posi¬ tiven Druck entlastet wird, also die Antriebseinheit mit dem zweiten Bolzen. In diesem Fall wird aber die Antriebseinheit mit dem ersten Bolzen stärker belastet und damit bleibt die gesamte Messvorrichtung funktionsfähig.
Im umgekehrten Fall, also bei auftretendem negativen Prozessdruck, bleibt dagegen die erste Antriebseinheit mit ihrem ers¬ ten Bolzen in Funktion und die zweite Antriebseinheit mit dem zweiten Bolzen kann ausfallen. Insgesamt bleibt der Antrieb trotzdem funktionsfähig.
Elektrisch können die beiden Antriebseinheiten gemeinsam und damit parallel an einer Steuerelektronik betrieben werden, so dass die additive Amplitude der beiden Antriebseinheiten über einen weiteren Druckbereich immer ausreichend groß ist.
Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass die beiden Antriebseinheiten getrennt mit verschiedenen Steuerschaltungen betrieben werden, wobei dann deren Ergebnisse lediglich noch logisch verknüpft werden müssen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es lediglich notwendig, die erste Antriebseinheit und die zweite Antriebseinheit me¬ chanisch in Serie zu schalten. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass die erste Antriebseinheit oberhalb der zweiten Antriebseinheit, die zweite Antriebseinheit oberhalb der ers¬ ten Antriebseinheit oder beide Antriebseinheiten zueinander koaxial angeordnet sind.
Details der Erfindungen und weitere Vorteile werden nachfol¬ gend im Zusammenhang mit näheren Figuren erläutert. Dabei zeigen :
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau in Schnittansicht einer bekannten Füllstandmessvorrichtung mit einer Antriebseinheit und Zugbolzen,
Figur 2 den prinzipiellen Aufbau in Schnittansicht einer bekannten Füllstandmessvorrichtung mit einer Antriebseinheit und Bolzen sowie zugehörenden Zwischenboden,
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Füllstandmess¬ vorrichtung nach der Erfindung, bei der die zweite Antriebseinheit gemäß Figur 2 oberhalb der ersten An¬ triebseinheit gemäß Figur 1 angeordnet ist,
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Füllstandmess¬ vorrichtung nach der Erfindung, bei welcher die aus Figur 1 bekannte Antriebseinheit oberhalb der aus Fi¬ gur 2 bekannten Antriebseinheit angeordnet ist, und
Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher die erste und zweite Antriebseinheit zueinan¬ der koaxial angeordnet sind. In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung .
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer bekannten Füllstandmessvorrichtung mit einer Antriebseinheit und einem ersten Bolzen, der als Zugbolzen wirkt, in Schnittansicht. Eine solche Füllstandmessvorrichtung ist beispielsweise aus DE 100 23 302 C2 bekannt, so dass deshalb im Zusammenhang mit Figur 1 nur auf die wesentlichen Komponenten dieser Füllstandmessvorrichtung eingegangen werden muss.
Die Vorrichtung verfügt über ein zylinderförmiges Gehäuse 1, welches an seinem Boden mit einer Membran 3 abgeschlossen ist. Die Membran steht vorzugsweise an einer dem Topfinneren des Gehäuses 1 abgewandten Seite mit zwei Gabelzinken 4 in bekannter Art und Weise in Verbindung. Im Inneren des Gehäuses 1 be¬ findet sich eine erste Antriebseinheit 10, welche vorliegend einen ersten Bolzen 12, hier einen Zugbolzen aufweist, der mit seinem unteren Ende einstückig im Zentrum der Membran 3 festgelegt ist. Um den ersten Bolzen 12 herum ist ein erster Stapel 16 von Piezo-Elementen 17 angeordnet. Die einzelnen piezo-elektrischen Elemente 17 berühren dabei auf ihrer koaxi- alen Innenseite vorzugsweise den Zugbolzen 12 nicht. Der erste Stapel 16 aus piezo-elektrischen Elementen 17, die selbstverständlich auch durch andere, geeignete Antriebselemente er¬ setzt sein können, weist eine untere, zur Membran 3 hin zuge¬ wandte Bodenseite 16a und eine gegenüberliegende Oberseite 16b auf. Zwischen der Bodenseite 16a und der Membran 3 befindet sich ein erstes Druckstück 14, über welches ringförmig der gesamte erste Stapel 16 auf der Oberseite der Membran 3 auf¬ sitzt. An dem oberen, freien Ende des ersten Bolzens 12 be- findet sich ein erstes Vorspannelement 18, vorliegend eine Vorspannschraube, über welche gegen die Oberseite 16b und da¬ mit den gesamten ersten Stapel beim Verdrehen des Vorspannelementes 18 Druck ausgeübt werden kann, so dass eine Vorspannung gegen die Membran 3 einstellbar ist.
Eine solche Füllstandmessvorrichtung wird bevorzugt als Vibra- tionsgrenzstandssensor eingesetzt und ist hierfür auch bestens geeignet. Allerdings zeigt sich, dass bei einem positiven Pro¬ zessdruck (Überdruck) im Bereich der Gabelzinken 4 sich die Membran 3 durch diesen positiven Prozessdruck nach oben in das Innere des Gehäuses 1 und damit in Richtung erste Antriebsein¬ heit 10 durchbiegt. Dieser positive Prozessdruck ist in Figur 1 mit P+ angedeutet. Die Pfeile in Richtung Membran 3 deuten an, dass sich diese nach oben, also in das Innere des Gehäuses
1 wölbt bei positivem Druck P+ . Ein solcher positiver Prozessdruck P+ mit der damit verbundenen Durchbiegung der Membran 3 kann bei zunehmendem positivem Prozessdruck P zu einer geringeren mechanischen Kopplung der piezo-elektrischen Elemente 17 führen, was natürlich ungewollt ist. Im Falle eines negativen Prozessdrucks P- biegt sich die Membran 3 in entgegengesetzte Richtung und die mechanische Kopplung wird erhöht.
In Figur 2 ist eine zweite Füllstandmessvorrichtung darge- stellt, wie sie an sich bekannt und beispielsweise in der
DE 10 2007 041 349 AI auch detailliert beschrieben ist. Bei einem positiven Prozessdruck P+ wird, wie die Pfeile in Figur
2 andeuten, die Membran 3 nicht in das Innere des Gehäuses 1 verbogen, sondern in Richtung Gabelzinken 4.
Der grundsätzliche Aufbau dieser bekannten Füllstandmessvorrichtung weist wiederum ein topfförmiges Gehäuse 1 auf, an dessen Unterseite die Membran 3 mit Gabelzinken 4 mechanisch feststehend angebunden ist. Das Zentrum der Membran ist im Inneren des Gehäuses mit einem Bolzenstück 20, das sich in das Gehäuse 1 erstreckt, versehen. Am oberen Ende dieses Bolzen¬ stückes 20 ist eine zweite Antriebseinheit 30 angekoppelt, wo- bei hierfür ein Zwischenbodenteil 31 vorzugsweise orthogonal zu den Wandungen des Gehäuses 1 vorgesehen ist. In diesem Zwischenbodenteil 31 sind Öffnungen 33 vorgesehen, durch welche ein U-förmig gestaltetes Druckstück 34 greift, welches mit seiner Unterseite am oberen Ende des Bolzenstückes 20 festge- legt ist. Auf der Oberseite des zweiten Druckstückes 34 sitzt ein Stapel 36 aus piezo-elektrischen Elementen 37. Dieser Stapel 36 mit seinen piezo-elektrischen Elementen 37 ist wiederum koaxial um einen zweiten32 angeordnet. Dieser zweite Bolzen 32 ist an seinem unteren Ende mittig an dem Zwischenbodenteil 31 befestigt. Am oberen Ende dieses zweiten Bolzens 32 befin¬ det sich wiederum ein Vorspannelement 38, das bevorzugt eine Vorspannmutter oder eine Vorspannschraube ist, über welche die Oberseite 36b des Stapels 36 aus piezo-elektrischen Elementen 37 gegen das zweite Druckstück 34 gedrückt werden kann. Der Stapel 36 aus piezo-elektrischen Elementen 37 liegt hierfür mit seiner Bodenseite 36a auf dem Druckstück 34 auf. Insgesamt steht der zweite Bolzen 32 damit ebenfalls mit der Membran 3 in Wirkverbindung . Die Antriebseinheit 30 wird in der Anord¬ nung von Figur 2 im drucklosen Zustand, d. h. dass der Druck außerhalb des Gehäuses 1 gleich dem Druck innerhalb des Gehäu¬ ses 1 der Füllstandmessvorrichtung ist, über das zweite Vorspannelement 38 unter Druck gesetzt, d. h. der zweite Bolzen 32 steht unter Zug. Bei einem positiven Prozessdruck P+ außerhalb des Gehäuses 1, also einem Druck, der außerhalb des Ge- häuses 1 größer ist als innerhalb des Gehäuses 1, führt dies dazu, das der gesamte Antrieb 30 von Figur 2 weiter belastet wird und die mechanische Kopplung der piezo-elektrischen Elemente 37 noch größer wird, was gewollt ist. Tritt dagegen ein negativer Prozessdruck auf, wölbt sich die Membran 3 nach innen in das Gehäuse 1 und die mechanische Kopplung der piezo¬ elektrischen Elemente 37 wird geringer. Bei dieser bekannten Füllstandmessvorrichtung, die ebenfalls bevorzugt als Vibrati- onsgrenzstandssensor eingesetzt wird, ist zwar im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Nachteil vermieden. Allerdings ist es so, dass bei negativem Prozessdruck (Unterdruck) der Stapel 36 aus piezo-elektrischen Elementen 37 entlastet wird und insoweit ein Nachteil besteht.
In Figur 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Füllstand¬ messvorrichtung nach der Erfindung dargestellt, bei welchem wiederum eine Membran 3 mit Gabelzinken 4 und ein Gehäuse 1 vorgesehen ist. Allerdings wird bei dieser Füllstandmessvor- richtung nach der Erfindung das Konzept der Antriebseinheiten aus den zuvor beschriebenen Füllstandmessvorrichtungen miteinander kombiniert. Dies bedeutet, dass im Inneren des Gehäuses eine erste Antriebseinheit 10 mit einem mit der Membran 3 ge¬ koppelten ersten Bolzen 12 vorgesehen ist und auch eine zwei- te Antriebseinheit 30 mit einem mit der Membran 3 gekoppelten zweiten Bolzen 32. Dabei sind die erste Antriebseinheit 10 und die zweite Antriebseinheit 30 zueinander mechanisch in Se¬ rie geschaltet. Im Ausführungsbeispiel von Figur 3 ist hierfür die in Zusammenhang mit Figur 2 erläuterte Füllstandmessvor- richtung oberhalb der aus Figur 1 dargestellten Füllstandmessvorrichtung platziert. Die bereits bekannten Bezugszeichen stehen für die gleichen Teile weiter.
Eine besondere konstruktive Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass das obere Ende des ersten Bolzens 12 jetzt zwar noch mit dem ersten Vorspannelement 18, also einer Vorspannschraube, in Verbindung steht. Dieses erste Vorspannelement 18 fungiert je¬ doch gleichzeitig auch als zweites Druckstück 34. Hierfür ist das zweite Druckstück 34 mit dem ersten Vorspannelement 18 feststehend verbunden.
Die in Figur 3 dargestellte Anordnung einer Füllstandmessvor- richtung ist wiederum bevorzugt als Vibrationsgrenzstandssen- sor einsetzbar und hat den großen Vorteil, dass sowohl bei positiven als auch negativen Prozessdrücken eine ausreichende elektrische Amplitude geliefert wird und damit die gesamte An¬ ordnung funktionstüchtig bleibt. Sowohl bei positiven als auch bei negativen Prozessdrücken ist immer einer der beiden Stapel 16, 36 mechanisch belastet und der andere Stapel 36, 16 mecha¬ nisch entlastet. Es steht also immer eine funktionsfähige An¬ triebseinheit 10 beziehungsweise 30 zur Verfügung. Bei einem positiven Prozessdruck wird zwar die untere Antriebseinheit 10 entlastet, was bis zum Funktionsausfall der ersten Antriebs¬ einheit 10 führen kann. Allerdings ist der darüber befindliche zweite Stapel 36 aus piezo-elektrischen Elementen 37 belastet, so dass die zweite Antriebseinheit 30 auf jeden Fall funkti¬ onstüchtig bleibt.
Tritt dagegen ein negativer Prozessdruck auf, wird die erste Antriebseinheit 10 belastet und bleibt damit in Funktion, wäh¬ rend die zweite Antriebseinheit 30 zwar entlastet wird und auch ausfallen kann. Die gesamte Antriebseinheit bleibt trotz- dem funktionsfähig, weil bei Ausfall einer der beiden Antriebseinheiten 10, 30 gemäß dem konstruktiven Aufbau der mechanischen In-Serie-Schaltung auf jeden Fall ein weiterer, redundanter Antrieb zur Verfügung steht. Wie erläutert, ist die Füllstandsmessvorrichtung von Figur 3 so gestaltet, dass bei einem anstehenden positiven Druck immer einer der Antriebe 16, 36 entlastet und der andere Antrieb 16, 36 belastet wird. Dies wird in der nachfolgenden Tabelle noch- mals dargestellt. Dabei ist es unabhängig, welches Vorzeichen der wirkende Prozessdruck hat. Es wird immer einer der beiden Antriebe 16, 36 mehr belastet und der andere Antrieb 16, 36 mehr entlastet.
Figure imgf000013_0001
Ist der Prozessdruck außerhalb des Gehäuses 1 identisch zum Druck innerhalb des Gehäuses 1 der Füllstandmessvorrichtung, verbeult sich die Membran nicht. Die beiden piezo-elekrischen Stapel 16, 36 der ersten Antriebseinheit 10 und zweiten An¬ triebseinheit 30 werden über die jeweiligen Vorspannelemente 18, 38 unter Druck gesetzt, so dass sowohl der erste Bolzen 12 als auch zweite Bolzen 22 unter Zug stehen. Ein Unterschied in der Belastung der beiden Stapel 16, 36 und damit auch, ob der erste Bolzen 12 und zweite Bolzen 32 zug- oder druckbelastet sind, ergibt sich erst durch die Wirkungsrichtung des anste¬ henden Prozessdrucks P.
Elektrisch können die beiden Antriebseinheiten 10, 30 gemein- sam, also parallel, an einer gemeinsamen Steuerelektronik betrieben werden, so dass die additive Amplitude der beiden An¬ triebseinheiten 10, 30 über einen weiten Druckbereich immer ausreichend groß ist. Allerdings ist es auch möglich, die bei¬ den Antriebseinheiten 10, 30 mit separaten Steuereinheiten zu betreiben. Es müssen dann die Ausgangssignale der Antriebseinheiten 10, 30 nur entsprechend logisch miteinander verknüpft werden . Das Ausführungsbeispiel von Figur 4 zeigt ein zweites Ausfüh¬ rungsbeispiel einer Füllstandmessvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Allerdings befindet sich jetzt die mit dem ersten Bolzen 12 befindliche erste Antriebseinheit 10 ober- halb der zweiten Antriebseinheit 30 mit dem zweiten Bolzen 32. Die zweite Antriebseinheit 30 steht, ähnlich wie in Figur
2 dargestellt, mit der Membran 3 in Wirkverbindung. Allerdings verfügt das Zwischenbodenteil 31 neben den Öffnungen 33 für das zweite Druckstück 34 über weitere Öffnungen 39, um Wandungsabschnitte 14a des ersten Druckstückes 14 in noch zu erläuternder Art und Weise aufzunehmen. Des Weiteren ist im Unterschied zur Darstellung von Figur 2 sowohl das Bolzenstück 20 als auch der zweite Bolzen 32 als Hohlwandrohr ausgebildet, damit durch dieses der erste Bolzen 12 der ersten An- triebseinheit 10, die in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb der zweiten Antriebseinheit 30 sitzt, greifen kann. Dieser erste Bolzen 12 ist mit seinem unteren Ende zentrisch an der Oberseite der Membran 3 festgelegt und durchragt das Bolzen¬ stück 20 und den zweiten Bolzen 32. An seinem oberen Ende ist dieser erste Bolzen 12 wiederum mit einem ersten Vorspannelement 18, vorzugsweise eine Vorspannmutter, in Verbindung, um den ersten Stapel 16 aus piezo-elektrischen Elementen 17 über das besonders gestaltete erste Druckstück 14 gegen die Membran
3 zu drücken.
Das erste Druckstück 14 verfügt über parallel zum Gehäuse 1 verlaufende Wandabschnitte 14a, welche die zweite Antriebsein¬ heit 30 umgreifen und an ihrem oberen Ende von einem platten- förmigen Element 14b absinkt, auf welchem der Stapel 16 aus piezo-elektrischen Elementen 17 aufsitzt. An ihrem unteren Ende sind die Wandabschnitte 14a, die durch die erwähnten Öff¬ nungen 39 im Zwischenbodenteil 31 greifen, wiederum von einem Element, das allerdings ringförmig ausgebildet ist, abge- schlössen. Dieses ringförmige Element ist mit dem Bezugszei¬ chen 14c bezeichnet. Die zentrische Öffnung dieses ringförmi¬ gen Elementes 14c umgreift das Bolzenstück 20 und verfügt an ihrer zur Membran 3 zugewandten Seite über einen im Schnitt konisch sich zuspitzenden Druckringabschnitt 14d, über welchen bei entsprechender Vorspannung des ersten Vorspannelementes 18 entsprechend Druck auf die Oberseite der Membran 3 ausgeübt werden kann. Bei der in Figur 4 dargestellten Anordnung befindet sich also die erste Antriebseinheit 10 mit dem ersten Bolzen 12 ober¬ halb der zweiten Antriebseinheit 30 mit dem zweiten Bolzen 32.
Schließlich zeigt Figur 5 noch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Füllstandmessvorrichtung. Bei dieser Füllstandmessvorrichtung sind die erste Antriebseinheit 10 und die zweite Antriebseinheit 30 koaxial zueinander platziert. Die Anordnung entspricht weitgehend der Anordnung von Figur 4. Allerdings sind jetzt die einzelnen piezo-elektrischen Elemente der ersten Elemente 17 des ersten Stapels 16 der ersten Antriebseinheit 10 so gestaltet, dass diese koaxial um die zwei¬ te Antriebseinheit 30 herum angeordnet werden können. Das ers¬ te Vorspannelement 18 muss in seinem Durchmesser entsprechend groß ausgeführt sein.
Auch bei dieser Anordnung ist es so, dass eine Füllstandmess¬ vorrichtung bereitgestellt wird, mit einer Membran 3, bei der die erste Antriebseinheit 10 mit einem mit der Membran 3 ge- koppelten ersten Bolzen 12 sowie eine zweite Antriebseinheit mit einem mit der Membran 3 in Wirkverbindung stehenden zweiten Bolzen zur Verfügung gestellt wird. Die erste Antriebs- einheit 10 und die zweite Antriebseinheit 30 sind hierbei e- benfalls mechanisch in Serie geschaltet.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
3 Membran
4 Gabelzinken
10 erste Antriebseinheit
12 erster Bolzen
14 erstes Druckstück
14a Wandabschnitte
14b plattenförmiges Element
14c ringförmiges Element
14d Druckringabschnitt
16 erster Stapel
16a Bodenseite
16b Oberseite
17 piezo-elektrische Elemente
18 erstes Vorspannelement 20 Bolzenstück
30 zweite Antriebseinheit
31 Zwischenbodenteil
32 zweiter Bolzen
33 Öffnungen im Zwischenbodenteil
34 zweites Druckstück
36 zweiter Stapel
36a Bodenseite
36b Oberseite
37 piezo-elektrische Elemente
38 zweites Vorspannelement
39 Öffnung

Claims

Patentansprüche
Füllstandmessvorrichtung mit folgenden Merkmalen: - einem Gehäuse (1),
eine Membran (3),
eine erste Antriebseinheit (10) mit einem mit der Membran (3) gekoppelten ersten Bolzen (12), eine zweite Antriebseinheit (30) mit einem mit der Membran (3) in Wirkverbindung stehenden zweiten Bolzen (32), welcher an seinem der Membran (3) zugewandten Ende über einen Zwischenboden (31) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist und
die erste Antriebseinheit (10) und die zweite An¬ triebseinheit (30) sind zueinander mechanisch in Serie geschaltet.
Füllstandmessvorrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Antriebseinheit (10) folgendes vorsieht: einen ersten Stapel mit piezo-elektrischen Elementen (17), welche bodenseitig über ein außermittig an der Membran (3) angreifendes erstes Druckstück (14) mit der Membran (3) mechanisch gekoppelt ist, der erste Bolzen (12) ist mittig feststehend auf der Membran (3) angeordnet und durchgreift den ers ten Stapel (16) und ist über ein erstes Vorspann¬ element (18) deckelseitig gegen den ersten Stapel (16) gespannt. 3. Füllstandmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die zweite Antriebseinheit (30) folgendes vorsieht: einen zweiten Stapel (36) mit piezo-elektrischen Elementen (37), welcher bodenseitig über ein mittig an der Membran (3) angreifendes, zweites Druckstück 14 mit der Membran (3) mechanisch gekoppelt ist, der zweite Bolzen (32) ist feststehend mit einem in der Füllstandmessvorrichtung feststehendem Zwi- schenbodenteil (31) in Verbindung und durchgreift den zweiten Stapel (36) und ist über ein zweites Vorspannelement (38) deckelseitig gegen den zweiten Stapel 36 gespannt.
Füllstandmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der zweite Stapel (36) oberhalb des ersten Stapels ( 16 ) sitzt .
Füllstandmessvorrichtung nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Druckstück (34) mit dem ersten Vorspannele¬ ment (18) mechanisch feststehend verbunden ist.
Füllstandmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Druckstück (34) das Zwischenbodenteil (31) durchgreift oder übergreift.
Füllstandmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Zwischenbodenteil (31) als Zwischenbodenplatte ausgebildet ist und am Gehäuse (1) oder an einen mit dem Gehäuse feststehenden Teil der Füllstandmessvorrichtung befestigt ist.
8. Füllstandmessvorrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste Stapel (16) oberhalb des zweiten Stapels (36 ) sitzt .
9. Füllstandmessvorrichtung nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste Druckstück (14) den zweiten Stapel (36) übergreift .
10. Füllstandmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste Bolzen (12) und der zweite Bolzen (32) zumindest abschnittsweise koaxial zueinander angeordnet sind .
11. Füllstandmessvorrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste Stapel (16) und der zweite Stapel (36) zu¬ einander koaxial angeordnet sind.
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