DE4429236A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandauswertung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandauswertung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einem mechanischen Schwingungssystem.

Aus DE 30 44 354 C2 sowie EP 0 343 403 A1 sind Vorrichtungen bekannt, mit denen das Erreichen eines vorbestimmten Füll­ standes in einem Behälter festgestellt werden kann. Diese auch als Grenzstandgeber, Grenzschalter oder Vibrationssen­ soren bezeichneten Vorrichtungen lösen bei bestimmten Füll­ höhen Schaltbefehle aus. Sie können als Maximum- oder Mini­ mumschalter eingesetzt werden. Maximumschalter verhindern beispielsweise das Überfüllen von Behältern durch Abschalten der Fördereinrichtung. Minimumschalter geben dagegen bei Absinken des Füllgutes unter einen vorbestimmten Minimal­ stand Schaltbefehle aus. Solche Minimumschalter werden oft als Trockenlaufschutz für Fördereinrichtungen eingesetzt.

Im allgemeinen weisen dies e bekannten Vorrichtungen zwei oder mehrere in den Behälter ragende Schwingstäbe auf, die in einer vorbestimmten Höhe des Behälters angeordnet werden. Die Schwingstäbe sind Bestandteil eines mechanischen Schwin­ gungssystems und an der ihrem distalen Ende abgewandten Seite an einer an ihrem Rand eingespannten Membran befe­ stigt. Auf der den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran ist ein Erregungs- und Empfangswandler mit minde­ stens jeweils einem piezoelektrischen Element zur Erregung und zum Empfangen der Schwingungen der Schwingstäbe angeord­ net.

Wird an den Erregungswandler eine Wechselspannung geeigneter Frequenz angelegt, verformt sich die Membran und die beiden Schwingstäbe werden gemeinsam zu Eigenresonanzschwingungen angeregt. Die Amplitude der vom Erregungswandler hervorgeru­ fenen Schwingungen wird durch den Empfangswandler erfaßt. Das Ausgangssignal des Empfangswandlers dient zur Feststel­ lung, ob der Behälter bis zur Höhe der darin angeordneten Schwingvorrichtung gefüllt ist.

Wenn bei der Schüttgutdetektion, d. h. beim Erfassen von festen Füllgütern, das mechanische Schwingungssystem zu Eigenresonanzschwingungen angeregt wird, ist dies gleichbe­ deutend damit, daß das Schüttgut noch nicht die vorbestimmte Höhe im Behälter erreicht hat. Kommt dagegen die Schwingvor­ richtung mit dem Schüttgut in Kontakt, so erfolgt bei gleichbleibender Erregung eine Dämpfung der Schwingstäbe, das sich in einer Abnahme der Schwingungsamplitude bis hin zum Aussetzen der im Empfangswandler empfangbaren Schwingun­ gen äußert. In einer Auswerteeinrichtung wird dies erfaßt und zur Anzeige gebracht, daß der vorbestimmte Füllstand erreicht ist. Bei Minimumschaltern ist das Einsetzen der Schwingungen ein Maß dafür, daß das Füllgut die vorbestimmte Höhe im Behältnis unterschritten hat.

Bei der Detektion von Flüssigkeiten schwingt dagegen die Schwinggabel auch dann weiter, wenn sie von Flüssigkeit umgeben ist, allerdings mit reduzierter Frequenz. Diese Frequenzbestimmung ist das Detektionskriterium.

Beispiele von Vorrichtungen zur Füllstandmessung mit zwei Schwingstäben an der einen Seite einer Membran und den Erregungs- und Empfangswandlern auf der anderen Seite der Membran des mechanischen Schwingungssystems sind aus DE 3 33 691 C2 sowie WO 92/21945 bekannt.

In der erstgenannten Druckschrift ist ein auf der den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran angeordnetes U-förmiges Metalljoch vorgesehen, welches durch biegeelasti­ sche, an den Enden jeweils starr mit einer Schwinggabel verbundene stabförmige Stützen im Abstand von der Membran gehalten ist. Die piezoelektrischen Elemente des Erregungs­ wandlers und des Empfangswandlers sind bei dieser Vorrich­ tung in einem Stapel angeordnet, der unter konvexer Vorspan­ nung der Membran zwischen dem U-förmigen Metalljoch und dem zwischen den Schwingstäben liegenden Teil der Membran einge­ spannt ist. Damit ist der Stapel aus piezoelektrischen Elementen im Zentrum der Membran über das U-förmige Metall­ joch mittels zwei jeweils in die Gabelzinken der Schwingga­ bel eingreifende Schrauben verspannt. Mit dieser bekannten Vorrichtung können Füllgüter beliebiger Art mit niedriger Erregungswechselspannung und geringer Erregungsenergie detektiert werden.

Die WO 92/21945 beschreibt eine Vorrichtung zur Füllstand­ auswertung mit einem ringförmigen Stapel aus piezoelektri­ schen Elementen, wobei der Stapel direkt auf einer ringför­ mig umlaufenden Schulter der Membran aufliegt und über einen im Zentrum der Membran aufgeschweißten Bolzen verspannt wird.

Schließlich ist aus DE 39 31 453 C1 eine weitere Vorrichtung zur Füllstandmessung mit einem mechanischen Schwingungssy­ stem bekannt, das zwei an einer Seite einer Membran befe­ stigte Schwingstäbe und einen auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angeordneten ringförmigen Stapel aus piezoelektrischen Elementen aufweist. Auf der den Schwing­ stäben abgewandten Seite ist bei dieser bekannten Vorrich­ tung eine Spannschraube fest mit der Membran verbunden und die Erregungs- und Empfangswandler unter konkaver Vorspan­ nung der Membran zwischen der Membran und einer Sechskant­ mutter eingespannt.

Es hat sich herausgestellt, daß die bekannten Vorrichtungen teilweise Falschmeldungen hervorrufen. Die elektronische Auswerteeinrichtung meldete nämlich des öfteren trotz Be­ deckung der Schwingstäbe mit Füllgut einen unbedeckten Zustand. Die Falschmeldung erschien stets nur in bedecktem, eingetauchtem Zustand der Schwingstäbe. Des weiteren wurde beobachtet, daß diese Falschmeldungen im eingetauchten Zustand der Schwinggabel regelmäßig dann erschienen, wenn äußere Vibrationen oder Erschütterungen an der Vorrichtung auftraten und die Vorrichtung in einen stabilen Metallbehäl­ ter eingeschraubt und damit starr an eine große Masse ange­ koppelt war. Im nicht eingetauchten Zustand der Schwingga­ beln kam es dagegen zu keiner Falschmeldung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandmessung anzuge­ ben, die derartige Falschmeldungen vermeidet. Darüber hinaus soll die Vorrichtung einfach und kostengünstig herzustellen sein.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 15.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung beruht im wesentlichen darauf, mindestens zwei identische Stapel aus piezoelektrischen Elementen vorzusehen und diese ausschließlich mit ihrer Oberseite über einen Zugbolzen an die Membran zu koppeln, um bei gegenphasigen Schwingungen der Schwingstäbe ein Ausgangssignal und bei gleichphasigen Schwingungen der Schwingstäbe kein Ausgangs­ signal zu erzeugen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei den bekann­ ten Vorrichtungen zur Füllstandauswertung die Schwingstäbe sowohl gegenphasig als auch gleichphasig schwingen können. Der natürliche und gewollte Schwingmode einer Schwinggabel ist ein gegenphasiges Schwingen der Gabelzinken bzw. Schwingstäbe. Ist die Schwinggabel jedoch an eine große Masse starr gekoppelt, so ist hinsichtlich der Schwingmomen­ te eine gegenseitige Abstützung der Gabelzinken bzw. Schwingstäbe beim Schwingen bzw. eine Kompensation der an der Gabelwurzel auftretenden Drehmomente nicht mehr erfor­ derlich. Dies bedeutet, daß jeder der Gabelzinken in der Lage ist, voneinander unabhängig zu schwingen und sich an der starr angekoppelten großen Masse eines stabilen Behäl­ ters, in den die Vorrichtung über ein Einschraubstück fest eingespannt ist, abstützen kann. Da beide Gabelzinken der Schwinggabel dieselbe Resonanzfrequenz besitzen und auf einer gemeinsamen Membran angebracht sind, können die beiden Gabelzinken der Schwinggabel parallel und damit gleichphasig schwingen. Bei diesem Parallelschwingen erfährt die Membran eine S-förmige Verformung, wodurch die Membran steifer und die Resonanzfrequenz höher als bei der gewollten gegenphasi­ gen Schwingung der Schwinggabel ist. Bei der gewollten gegenphasigen Schwingung der Gabelzinken der Schwinggabel macht dagegen die Membran eine einfache konvex-konkave Verformung.

Der Frequenzunterschied zwischen den beiden Schwingmodi ist etwa gleich groß zur Frequenzdifferenz zwischen in Füllgut eingetauchter und nicht eingetauchter gegenphasig schwingen­ der Schwinggabel. Beim normalen gegenphasigen Schwingmode sinkt die Resonanzfrequenz im in Füllgut eingetauchten Zustand um einen bestimmten von der Dichte des Füllguts abhängigen Wert. In gleicher Situation, also bei eingetauch­ tem Zustand, ist die Frequenz beim gleichphasigen Schwingen etwa um den Wert höher, der dem nicht eingetauchten Zustand beim gegenphasigen Schwingen entspricht. Dies bedeutet, daß die elektronische Auswerteeinrichtung dieses Signal als repräsentativ für den nicht eingetauchten Zustand der Schwinggabel auffaßt und fälschlicherweise trotz Bedeckung unbedeckt meldet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Füllstandauswertung beruht darauf, die von den beim Parallelschwingen auftreten­ den Kräften an der Membran erzeugten jeweiligen Ausgangssi­ gnale an den piezoelektrischen Elementen der jeweiligen Empfangswandler so miteinander zu verknüpfen, daß ein Ge­ samtausgangssignal von Null oder von mindestens annähernd Null gebildet wird, aber das bei gegenphasigen Schwingungen der Gabelzinken der Schwinggabel auftretende Gesamtausgangs­ signal, das deutlich von Null verschieden ist, zur Auswer­ tung des Füllstandes heranzuziehen. Auf diese Weise wird das Auftreten des Parallelschwingmodes der Gabelzinken bei der Signalauswertung wirksam ignoriert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Füllstandmessung zeich­ net sich im wesentlichen durch zwei voneinander unabhängige Stapel aus piezoelektrischen Elementen aus, deren Oberseite jeweils über ein gemeinsames Joch mit einem im Membranzen­ trum orthogonal befestigten Zugbolzen verbunden ist und deren der Membran zugewandte Seite jeweils auf einer ring­ förmigen Bodenplatte aufsitzt. Der Zugbolzen ist axial verschieblich und verschwenkbar angeordnet. Durch Abstützung auf der ringförmigen, von dem Zugbolzen durchdrungenen Bodenplatte sind die piezoelektrischen Elemente gegenüber der Membran optimal entkoppelt. Die Bodenplatte ist darüber hinaus fest stehend mit der Halterung, beispielsweise dem Einschraubstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verbun­ den.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in der Entkopplung der Unterseite des Stapels aus piezoelektrischen Elementen von der Membran, wodurch das Auftreten des Parallelschwingmodes bei der Signalauswertung wirksam ignoriert werden kann. Die beim Parallelschwingen der Gabelzinken auftretenden Kräfte können erfindungsgemäß kein oder nahezu kein Ausgangssignal in der Auswerteeinrich­ tung verursachen und somit auch nicht elektronisch ausgewer­ tet werden. Beim gegenphasigen Schwingen treten hingegen Signale auf, welche ohne sich zu kompensieren zur Auswertung gelangen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Füllstandmessung igno­ riert durch äußere Vibrationen oder Erschütterungen hervor­ gerufene Parallelschwingmodi und zeichnet sich durch eine einfache und damit kostengünstige Herstellung aus.

Neben der Vermeidung von Falschmeldungen aufgrund von äuße­ ren Vibrationen oder Erschütterungen wirkt sich die erfin­ dungsgemäße Entkopplung der Unterseite der Stapel aus piezo­ elektrischen Elementen von der Membran auch antriebsseitig positiv aus. So kann die Membran durch die genannte Entkopp­ lung frei schwingen und wird nicht durch Auflagen oder Verschraubungen, wie diese im Stand der Technik beschrieben sind, bedämpft. Es wirkt lediglich der in der Resonanzfre­ quenz der Schwinggabel über die piezoelektrischen Elemente des Erregungswandlers angetriebene Zugbolzen auf die Mem­ bran.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Bodenplatte, auf der die Unterseiten der Stapel aus piezoelektrischen Elementen aufsitzen, einstückig an die Halterung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung anzuformen. Die Halterung wird hierbei zweckmäßigerweise als Einschraubstück mit Außenge­ winde ausgebildet. Durch die einstückige Anformung der Bodenplatte 10 an das Einschraubstück läßt sich die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung in besonders einfacher Weise her­ stellen.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Erregungs- und Empfangswandler als zwei identische und diametral zum Zugbolzen liegende Stapel auszubilden und jeden dieser Stapel symmetrisch zu den Schwingstäben, vorzugsweise gleichachsig und damit axial fluchtend zu jeweils einem der Schwingstäbe, anzuordnen. Die beiden Empfangswandler der zwei Stapel sind elektrisch derart zueinander in Reihe geschaltet, daß sich deren gemeinsames Ausgangssignal elimi­ niert, wenn infolge Parallelschwingens der Gabelzinken auf die zugehörigen piezoelektrischen Elemente entgegengesetzt gerichtete Kräfte einwirken. Im Falle der gegenphasigen Schwingung der Schwingstäbe der Schwinggabel wirken wegen der ausschließlich axialen Bewegung des Zugbolzens jeweils gleiche Kräfte auf die beiden Empfangswandler, so daß von beiden Empfangswandlern Ausgangssignale identischer Polari­ tät zur Verfügung stehen, die ein Summensignal mit im Ver­ gleich zu nur einem Empfangswandler doppelter Amplitude ergeben. Beim gleichphasigen und damit parallelen Schwingen der Schwingstäbe der Schwinggabel wirken dagegen aufgrund der Pendelbewegung des Zugbolzens auf die piezoelektrischen Elemente der beiden Empfangswandler entgegengesetzt gerich­ tete Kräfte, die das Summensignal beider Empfangswandler aufgrund der gleichgroßen umgekehrt gepolten Ladungen in den piezoelektrischen Elementen der beiden Stapel und damit der entgegengesetzten Polarität der Signale in den beiden Emp­ fangswandlern Null oder mindestens annähernd Null werden läßt. Damit führt das gleichphasige Schwingen der Schwing­ stäbe zu keinem Ausgangssignal und somit auch zu keiner Falschmeldung.

Wesentlich bei der genannten Ausführungsform der Erfindung ist die axial verschiebliche und verschwenkbare Anordnung des Zugbolzens, damit dieser einerseits beim gegenphasigen Schwingen der Schwinggabelzinken und der damit verbundenen konvex-konkaven Verformung der Membran axial hin- und herbe­ wegt werden kann, um auf die piezoelektrischen Elemente entsprechende Kräfte auszuüben. Die verschwenkbare Anordnung des Zugbolzens ist dagegen erfindungsgemäß notwendig, um beim gleichphasigen Schwingen der Schwingstäbe eine Pendel­ bewegung zuzulassen und damit Kräfte auf die piezoelektri­ schen Elemente des Empfangswandlers auszuüben, deren erzeug­ te Ladungen sich gegenseitig kompensieren können.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Stapel von einem oder mehreren Isolierkörpern zu umgeben. Hierdurch wird eine einfache Halterung und Positionierung der piezoelektrischen Elemente im jeweiligen Stapel er­ reicht.

Der Zugbolzen kann darüber hinaus an seinem der Membran abgewandten Ende mit einem Gewinde versehen sein, auf wel­ chem ein sich am jochförmigen Element abstützendes Schraub­ element aufschraubbar ist. Hierdurch ist eine vorgegebene Vorspannung an der Membran und/oder der piezoelektrischen Elemente der Empfangs- und Erregungswandler einstellbar.

Die Erfindung und deren Vorteile wird nachfolgend im Zusam­ menhang mit einem Ausführungsbeispiel und vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung zur Füllstandauswertung mit zwei sich gegenüberliegenden Stapeln aus piezo­ elektrischen Elementen,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittansicht der Vorrichtung von Fig. 1 entlang der Schnittlinie III-III, und

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung der zwei Stapel aus piezoelektrischen Elementen.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Füllstandauswertung, die insbesondere zur Füllstandsdetektion von Flüssigkeiten in Behältern geeignet ist, mit einem mechanischen Schwingungssystem gezeigt. Die Vorrichtung ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 weist zwei im Abstand parallel voneinander angeordnete Schwingstäbe 2, 3 auf, die im wesentlichen von gleicher Form und gegeneinander um ihre Längsachse 180° gedreht angeordnet sind. Die beiden Schwingstäbe 2, 3 sind an ihrem oberen Ende mit Kröpfungen 30, 31 versehen, welche auf ihrer dem Behälterinneren abgewandten Seite feststehend mit einer Membran 4 in Verbindung stehen. Die Membran 4 ist beispielsweise kreisförmig ausgebildet und an ihrem Rand an einer Halterung 7 der Vorrichtung 1 eingespannt. Die Halte­ rung 7 ist beispielsweise als Einschraubstück 6 ausgebildet.

Zweckmäßigerweise sind die Membran 4 und die Schwingstäbe 2, 3 einstückig aus Feinguß hergestellt und die Membran 4 ausschließlich mit ihrem äußeren Rand an die Unterseite der noch zu erläuternden Bodenplatte 10 angeschweißt. Eine solche Schweißnaht 28 bietet der Membranperipherie wegen der außerordentlich geringen Amplitude der zu übertragenden und von den piezoelektrischen Elementen der Erregungswandler bereitgestellten Schwingenergie eine massive kraftschlüssige Abstützung.

Das Einschraubstück 6 ist, wie Fig. 1 zeigt, topfförmig ausgebildet und verfügt über ein zylindrisches Außengewinde 8, mit welchem die Vorrichtung 1 in einer Wandöffnung des Behälters, dessen Füllstand festgestellt werden soll, befe­ stigt werden kann. Hierzu ist das Einschraubstück 6 an seinem den Schwingstäben 2, 3 gegenüberliegenden Ende z. B. mit einem Sechskant versehen, um mittels eines Schrauben­ schlüssels in die entsprechende Öffnung der Behälterwandung eingedreht werden zu können.

Das topfförmige Einschraubstück 6 ist mit einem Hohlraum 26 ausgebildet, der an seiner der Membran 4 zugewandten Seite mit der erwähnten Bodenplatte 10 abschließt. Die Bodenplatte 10, die im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kreisförmig gestaltet ist, ist vorzugsweise einstückig an das Ein­ schraubstück 6 und damit die Halterung 7 angeformt und verfügt über eine zentrale Bohrung 11. Die Unterseite der Bodenplatte 10 verläuft parallel zur Membran 4 und liegt zu dieser in einem vorgegebenen Abstand, so daß sich die Mem­ bran 4 unterhalb der Bodenplatte 10 verformen kann, ohne die Bodenplatte 10 zu berühren. Die Membran 4 ist lediglich an ihrem äußeren Rand mit der Bodenplatte 10 verschweißt. Die Membran 4 kann somit im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungen frei schwingen und wird durch keine Auflagen oder Verschraubungen bedämpft. Beim Stand der Technik, z. B. WO 92/21945, wird die Membran hingegen auf einer ringförmig umlaufenden Schulter der Membran abgestützt, wodurch die Schwingmomenteinleitung des Piezoantriebs in die Membran nicht im gleichen durch den Zugbolzen bewirkten Sinne, sondern diesem gegenüber konträr gerichtet ist. Eine hier­ durch verursachte Teilkompensation der Schwingmomenteinlei­ tung wird bei der Vorrichtung nach der Erfindung aber gerade vermieden, und das bei nahezu gleichem Aufwand.

Zurück zu Fig. 1. Auf der Oberseite der Bodenplatte 10 und damit innerhalb des Hohlraumes 26 befinden sich im Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 1 zwei identisch ausgebildete und sich diametral gegenüberliegende Stapel 14, 15 aus piezo­ elektrischen Elementen. Die Stapel 14, 15 liegen symmetrisch zu den Schwingstäben 2, 3, vorzugsweise gleichachsig zu jeweils einer Kröpfung 30, 31 der Schwingstäbe 2, 3 mit ihrer Unterseite 18 auf der Oberseite der Bodenplatte 10 auf. Die einzelnen Stapel 14, 15 aus piezoelektrischen Elementen sind jeweils mit Erregungs- und Empfangspiezowand­ lern ausgestattet.

Ein Beispiel für den Schichtaufbau eines einzelnen Stapels ist aus der eingangs erwähnten DE 39 31 453 C1 bekannt, auf deren Offenbarung hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Die sich gegenüberliegenden beiden Stapel 14, 15 werden mittels eines beide Stapel 14, 15 umfassenden Isolierkörpers 20 (Fig. 3) diametral zu einem auf der Membran 4 zentrisch und orthogonal feststehend angebrachten Zugbolzen 5 über den Schwingstäben 2, 3 auf die Oberseite der Bodenplatte 10 montiert. Auf den Oberseiten 17 der beiden Stapel 14, 15 sitzt ein die beiden Stapel 14, 15 überspannendes jochförmi­ ges Element 12, welches mittig ebenfalls mit einer Bohrung 13 versehen ist. Das jochförmige Element 12 sitzt auf den beiden Stapeln 14, 15 aus piezoelektrischen Elementen 16 (Fig. 3) auf.

Der Zugbolzen 5, der an seinem unteren Ende feststehend, z. B. geschweißt, mit der Membran 4 in Verbindung steht, ragt durch eine zwischen den beiden Stapeln 14, 15 liegende Bohrung des Isolierkörpers 20 und erstreckt sich nach oben durch die zentrale Bohrung 13 des jochförmigen Elementes 12. An seinem oberen Ende ist der Zugbolzen 5 mit einem Gewinde versehen, welches aus der Bohrung 13 des jochförmigen Ele­ mentes 12 herausragt. Auf dieses Gewinde ist ein sich am jochförmigen Element 12 abstützendes Schraubelement 22, z. B. eine Mutter oder dergleichen, aufschraubbar, um eine vorgegebene Vorspannung der Membran 4 und/oder der piezo­ elektrischen Elemente in den Stapeln 14, 15 einzustellen. Durch dieses Schraubelement 22 wird somit sowohl die Vor­ spannung der piezoelektrischen Elemente aufgebracht als auch zugleich eine Antriebsbefestigung erreicht.

Der Zugbolzen 5 ist im Hinblick auf die Ausrichtung der Schwingstäbe 2, 3 innerhalb der Bohrung 11 der Bodenplatte 10 und innerhalb der Bohrung 13 des Isolierkörpers 20 sowohl in axialer Richtung verschieblich als auch schwenkbar ange­ ordnet. Hierfür ist die Bohrung 11 in der Bodenplatte 10 geringfügig größer als der Durchmesser des Zugbolzens 5 gewählt, so daß der Zugbolzen 5 die beim Parallelschwingen der Schwingstäbe 2, 3 auftretende Pendelbewegung ausführen kann.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 in Draufsicht dargestellt. Es ist deutlich das stabförmige, die beiden Stapel 14 und 15 aus piezoelektrischen Elementen überspannende Joch 12 zu erkennen, durch dessen mittige Bohrung der Zugbolzen 5 hervorragt, auf welchen das Schraub­ element 22 aufgeschraubt ist. Zugleich ist deutlich die Sechskantkontur des Einschraubstückes 6 der Halterung 7 erkennbar.

In Fig. 3 ist die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 entlang der Schnittlinie III-III dargestellt. Aus dieser Schnittdarstellung ist deutlich die sich zum Zugbolzen 5 symmetrisch gegenüberliegende Anordnung der beiden Stapel 14, 15 aus piezoelektrischen Elementen 16 ersichtlich. Die beiden sich symmetrisch zum Zugbolzen 5 gegenüberliegenden Stapel 14, 15 sind von einem gemeinsamen, im Querschnitt länglichen Isolierkörper 20 umgeben, durch welchen sich insgesamt drei parallele Öffnungen erstrecken. Durch die mittlere Öffnung ragt der Zugbolzen 5, während in den beiden äußeren Öffnungen des Isolierkörpers 20 die Stapel 14, 15 mit den piezoelektrischen Elementen 16 angeordnet sind. Zusätzlich sind noch Anschlußfahnen 24 zu erkennen, die jeweils zu einem der Stapel 14, 15 führen und einerseits zum Zuführen einer Erregerspannung an den Erregungswandler und andererseits zum Abgreifen einer Signalspannung am Empfangs­ wandler in den Stapeln 14, 15 dienen.

In Fig. 4 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen eine Explosionsdarstellung gezeigt, aus der die Ausgestaltung der mindestens zwei gemäß der Erfindung vorzusehenden Stapel 14, 15 deutlich wird. Die beiden Stapel 14, 15 sind erfindungs­ gemäß identisch ausgebildet, so daß es ausreicht, lediglich einen dieser Stapel 15 stellvertretend für den anderen Stapel 14 zu beschreiben.

Jeder der beiden Stapel 14, 15 weist eine obere metallische Scheibe 32 und eine untere metallische Scheibe 36 auf. Die Oberseite der oberen metallischen Scheibe 32 bildet zugleich die Oberseite 17 der Stapel 14, 15, während die Unterseite der unteren metallischen Scheibe 36 zugleich die Unterseite 18 des Stapels 14, 15 bildet. Zwischen diesen beiden metal­ lischen Scheiben 32 und 36 ist jeweils angrenzend ein Iso­ lierzylinder 33, 35 angeordnet. Ausgehend von dem oberen Isolierzylinder 33 schließen sich in Richtung unterem Iso­ lierzylinder 35 folgende Elemente an: Elektrodenscheibe 34, Isolierscheibe 37, Elektrodenscheibe 34, kreisförmiges piezoelektrisches Element 16, Elektrodenscheibe 34, Isolier­ scheibe 37, Elektrodenscheibe 34, kreisförmiges piezoelek­ trisches Element 16, Elektrodenscheibe 34, kreisförmiges piezoelektrisches Element 16, Elektrodenscheibe 34, kreis­ förmiges piezoelektrisches Element 16, Elektrodenscheibe 34, kreisförmiges piezoelektrisches Element 16 und eine weitere Elektrodenscheibe 34. Die zwischen den Isolierscheiben 37 angeordneten Elektrodenscheiben 34 und das kreisförmige piezoelektrische Element 16 bilden beispielsweise den Emp­ fangswandler, während die darunter liegenden Elektroden­ scheiben 34 und kreisförmigen piezoelektrischen Elemente 16 den Erregungswandler des jeweiligen Stapels 14, 15 bilden.

Die beiden derart aufgebauten Stapel 14, 15 werden in paral­ lel zueinander verlaufende Öffnungen 42, 43 des bereits erwähnten Isolierkörpers 20 eingesetzt. Der besseren Über­ sichtlichkeit wegen ist in Fig. 4 die für den nicht darge­ stellten Zugbolzen im Isolierkörper 20 ebenfalls noch vorzu­ sehende Öffnung nicht eingezeichnet. Alle Bestandteile der Stapel 14, 15 haben bei dem dargestellten Beispiel vorzugs­ weise den gleichen kreisförmigen Querschnitt, so daß sich ein säulenartiger Aufbau der Stapel 14, 15 ergibt. Wie in Fig. 3 und 4 ersichtlich, haben die Elektrodenscheiben 34 Anschlußfahnen 24, um im Falle des Erregungswandlers eine Wechselspannung geeigneter Frequenz zuführen und im Falle des Empfangswandlers ein Ausgangssignal abgreifen zu können. Diese Anschlußfahnen 24 werden zweckmäßigerweise zueinander ausgerichtet in den Stapeln 14, 15 vorgesehen, um einerseits einen einfachen elektrischen Anschluß zu gewährleisten und andererseits im Isolierkörper 20 eine einfache Montagemög­ lichkeit zu gewährleisten.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt sich folgendermaßen dar: Beim gegenphasigen Schwingmodus, also beim Arbeitsmodus, verformt sich die Membran 4 kon­ kav-konvex, wodurch sich der Zugbolzen 5 lediglich in axia­ ler Richtung hin- und herbewegt. Auf die beiden erfindungs­ gemäß in Reihe geschalteten Empfangswandler 41 in den Sta­ peln 14, 15 wirken dabei jeweils symmetrisch die gleichen Kräfte. Das Gesamtausgangssignal der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das sich aus der Summe der Ausgangsteilsignale des ersten Stapels 14 und des zweiten Stapels 15 ergibt, ist folglich doppelt so groß wie ein Ausgangsteilsignal. Gegen­ über einem einzigen Stapel 14 oder 15 mit piezoelektrischen Elementen 16 wird somit eine höhere Empfindlichkeit bzw. höhere Ausgangsspannung beim gegenphasigen Schwingen der Schwingstäbe 2, 3 erzielt.

Beim gleichphasigen Schwingmodus, also beim an sich uner­ wünschten Parallelschwingen der Schwingstäbe 2, 3, verformt sich die Membran 4 S-förmig, wodurch der Zugbolzen 5 eine Pendelbewegung ausführt. Auf die beiden in Reihe geschalte­ ten Empfangswandler wirken somit entgegengesetzte Kräfte. Die daraus resultierenden Ladungen bzw. Spannungen heben sich aufgrund der unterschiedlichen Polarität auf und führen somit zu keinem bzw. nahezu keinem Ausgangssignal. Durch die Auflage der Stapel 14, 15 auf der Oberseite der Bodenplatte 10 sind die Stapel 14, 15 erfindungsgemäß von der Membran 4 entkoppelt. Lediglich die durch den Zugbolzen 5 übertragenen Kräfte wirken auf die piezoelektrischen Elemente 16 in den Stapeln 14, 15.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung von zwei sich gegenüberliegenden Stapeln aus piezoelektrischen Ele­ menten beschränkt. Es können vielmehr auch mehrere Stapel symmetrisch zueinander um den Zugbolzen herum angeordnet werden. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Anzahl der Stapel und die Verschaltung der Ausgangssignale derart aufeinander abgestimmt ist, daß eine Entlastung eines Sta­ pels zugleich zu einer entsprechenden Belastung eines ande­ ren Stapels führt, wodurch sich deren Ausgangssignale gegen­ seitig kompensieren können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Füllstandauswertung ist insbesondere zur Detektion von Flüssigkeiten geeignet, bei welcher die Schwingstäbe 2, 3 trotz Eintauchens in Flüssig­ keit weiterschwingen, allerdings mit veränderter Frequenz. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist u. a. auch zur Dichte­ messung der in Behältern befindlichen Flüssigkeiten geeig­ net, da sich eine unterschiedliche Dichte der Flüssigkeit unmittelbar durch eine andere Frequenz des Ausgangssignales der Vorrichtung auswirkt.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung
2 Schwingstab
3 Schwingstab
4 Membran
5 Zugbolzen
6 Halterung
7 Einschraubstück
8 Außengewinde
10 Bodenplatte
11 Bohrung
12 jochförmiges Element
13 Bohrung
14 Stapel
15 Stapel
16 piezoelektrisches Element
17 Oberseite
18 Unterseite
20 Isolierkörper
22 Schraubelement
24 Anschlußfahne
26 Hohlraum
28 Schweißnaht
30 Kröpfung
31 Kröpfung
32 Metallscheibe
33 Isolierzylinder
34 Elektrodenscheibe
35 Isolierzylinder
36 Metallscheibe
37 Isolierscheibe
40 Erregungswandler
41 Empfangswandler
42 Bohrung
43 Bohrung

Claims (15)

1. Verfahren zur Füllstandauswertung mit einem mechanischen Schwingungssystem, das mindestens einen Stapel (14, 15) mit piezoelektrischen Elementen (16) aufweist, welche über eine Membran (4) und einen zentrisch an der Membran (4) befestigten Zugbolzen (5) mit Schwingstäben (2, 3) in Verbindung stehen, wobei mindestens ein Erregungs­ wandler des Stapels (14, 15) das mechanische Schwin­ gungssystem erregt und mindestens ein Empfangswandler des Stapels (14, 15) die Schwingungen des mechanischen Schwingungssystems empfängt und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Bereitstellen von mindestens zwei identischen Stapeln (14, 15) mit piezoelektrischen Elementen (16);
• - Ankoppeln des Zugbolzens (5) mit seinem der Membran (4) gegenüberliegenden Ende an der Oberseite der Stapel (14, 15) und Entkoppeln der Unterseite der Stapel (14, 15) von der Membran (4);
• - Erregung der Schwingstäbe (2, 3) durch Anlegen einer Wechselspannung an die Erregungswandler der mindestens zwei Stapel (14, 15); und
• - Verknüpfung der einzelnen Ausgangssignale der Emp­ fangswandler der mindestens zwei Stapel (14, 15) zu einem Gesamtausgangssignal derart, daß bei einem gleichphasigen Schwingen der Schwingstäbe (2, 3) das Gesamtausgangssignal mindestens annähernd den Wert Null und bei einem gegenphasigen Schwingen der Schwingstäbe (2, 3) einen deutlich vom Wert Null verschiedenen Wert annimmt.

2. Vorrichtung zur Füllstandauswertung mit einem in einer Halterung (6) angeordneten mechanischen Schwingungssy­ stem, das mindestens zwei Schwingstäbe (2, 3) aufweist, die im Abstand voneinander an einer am Rand festgelegten Membran (4) befestigt sind, einem auf der den Schwing­ stäben (2, 3) abgewandten Seite der Membran (4) in mindestens einem Stapel (14, 15) angeordneten Erregungs- und Empfangswandler mit mindestens jeweils einem piezo­ elektrischen Element (16) zur Erregung der Schwingstäbe (2, 3) und zum Empfangen der Schwingungen des Schwin­ gungssystems sowie mit einem Zugbolzen (5), der an seinem einen Ende orthogonal zur Membran (4) angeordnet und zentrisch an der Membran (4) mit dieser feststehend und mit seinem anderen Ende über ein jochförmiges Ele­ ment (12) mit der Oberseite (17) des mindestens einen Stapels (14, 15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei identische und diametral zum Zugbol­ zen (5) liegende Stapel (14, 15) vorgesehen sind, daß jeder dieser Stapel (14, 15) einem der Schwingstäbe (2, 3) zugeordnet ist, und daß eine die Empfangswandler enthaltende Schaltungsanordnung vorgesehen ist, durch welche bei einem gleichphasigen Schwingen der Schwing­ stäbe (2, 3) das Gesamtausgangssignal der Empfangswand­ ler mindestens annähernd den Wert Null und bei einem gegenphasigen Schwingen der Schwingstäbe (2, 3) einen deutlich vom Wert Null verschiedenen Wert annimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (5) axial verschieblich und verschwenkbar angeordnet ist, daß die Unterseiten (18) der mindestens zwei Stapel (14, 15) von der Membran (4) entkoppelt sind und auf einer Bodenplatte (10) aufsitzen, welche eine zentrale Bohrung (11) aufweist, durch die sich der Zugbolzen (5) erstreckt und welche mit der Halterung (6) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder der Stapel (14, 15) axial fluchtend zu jeweils einem der Schwingstäbe (2, 3) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Reihen­ schaltung der Empfangswandler der mindestens zwei Stapel (14, 15) vorsieht und das Gesamtausgangssignal an Klem­ men dieser Reihenschaltung der Empfangswandler abgreif­ bar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangswandler der mindestens zwei Stapel (14, 15) zueinander entgegengesetzt gepolt sind und die Schaltungsanordnung zur Subtraktion der jeweiligen Ausgangssignale der einzelnen Empfangswandler vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (10) einstückig an die Halterung (6) angeformt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (6) ein Einschraub­ stück (7) mit Außengewinde (8) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das jochförmige Element (12) ein die mindestens zwei Stapel (14, 15) überspannendes und stabförmiges Joch mit zentraler Bohrung (13), durch welches sich der Zugbolzen (5) erstreckt, ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Stapel (14, 15) von einem Isolierkörper (20) umgeben sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (5) an seinem der Membran (4) abgewandten und durch das jochförmige Ele­ ment (12) erstreckenden Ende mit einem Gewinde versehen ist, auf welchem ein sich am jochförmigen Element (12) abstützendes Schraubelement (22) aufschraubbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungswandler der mindestens zwei Stapel (14, 15) jeweils zueinander parallel ge­ schaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) und die Schwingstäbe (2, 3) einstückig aus Feinguß hergestellt sind und daß die Membran (4) ausschließlich mit ihrem äußeren Rand mit der Unterseite der Bodenplatte (10) feststehend verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) mit ihrem äußeren Rand an die Unter­ seite der Bodenplatte (10) angeschweißt ist.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14 zur Füllstandauswertung von mit Flüssigkeit gefüllten Behältern.