DE102016108553A1 - Piezoelektrisch angetriebener Vibrationsgrenzschalter mit optimierter Wirkfläche - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrisch angetriebener Vibrationssensor (1), insbesondere Vibrationsgrenzschalter, mit einer über einen Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5), wobei der Antrieb (3) eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen (7) mit einer Öffnung (9) umfasst und eine elektrische Kontaktierung (11) der Piezoelemente (7) umfasst, wobei die Kontaktierung (11) der Piezoelemente (7) durch die Öffnung (9) geführt ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrisch betriebenen Vibrationsgrenzschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Aus dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran aufweist, mittels der ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Vibrationssensor detektiert werden und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
- Eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist in
1 dargestellt. - Aus dem Stand der Technik bekannte piezoelektrisch angetriebene Vibrationssensoren
1 , die insbesondere als Vibrationsgrenzschalter eingesetzt werden, weisen eine über einen Antrieb3 zu einer Schwingung anregbare Membran5 auf, wobei der Antrieb3 eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen7 mit einer Öffnung9 und eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente7 umfasst. Typischerweise sind die Piezoelemente7 über einen an der Membran5 des Vibrationssensors1 angeordneten Zugbolzen17 , der durch die Öffnung9 der Piezoelemente7 verläuft, über eine Spannschraube19 gegen die Membran5 gespannt, sodass eine über ein elektrisches Signal erzeugte Schwingung der Piezoelemente7 zuverlässig auf die Membran5 übertragen wird. Typischerweise sind zwischen den Piezoelementen7 und der Membran5 eine Anpasskeramik13 und eine Spannscheibe14 angeordnet, die für eine gezielte Einleitung der mechanischen Schwingung in die Membran5 sowie eine elektrische Isolierung der Piezoelemente7 gegenüber der typischerweise metallisch ausgebildeten Membran5 sowie eine thermische Anpassung sorgt. Analog zu Anpasskeramik13 und Spannscheibe14 zwischen der Membran5 und den Piezoelementen7 kann ebenfalls eine weitere Anpasskeramik13 und eine Spannscheibe14 zwischen der Spannschraube19 und den Piezoelementen7 vorgesehen sein, sodass auch die Spannschraube19 gegenüber den Piezoelementen7 elektrisch isoliert ist. - Eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente
7 erfolgt über an den Oberflächen der Piezoelemente7 angeordnete und über Kabel25 von außen kontaktierte Elektroden8 . - Bei dem beispielhaft dargestellten Piezostapelantrieb ist die Fläche der Piezoelemente ausschlaggebend für eine auf die Membran mögliche Kraftübertragung. Durch den gewählten Einschraubstutzen des Vibrationsgrenzschalter ist die Membranfläche und damit die Fläche der Piezoelemente jedoch begrenzt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren wird es daher als nachteilig empfunden, dass durch die elektrische Kontaktierung stets ein umlaufender Rand zwischen einem Umfang der Piezoelemente und einem Umfang der Membran verbleibt. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vibrationssensor mit einer optimierten Fläche der Piezoelemente zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Ein erfindungsgemäßer piezoelektrisch angetriebener Vibrationssensor, insbesondere Vibrationsgrenzschalter, mit einer über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran, wobei der Antrieb eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen mit einer Öffnung und eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktierung der Piezoelemente durch die Öffnung geführt ist.
- Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Erkenntnis zugrunde, dass die Piezoelemente größer ausgestaltet werden können, wenn eine elektrische Kontaktierung derselben durch die ohnehin vorhandene Öffnung der Piezoelemente erfolgt. Dies ist insbesondere der Fall, da selbst bei einer Vergrößerung des Innendurchmessers der Piezoelemente eine Vergrößerung des Außendurchmessers derselben einen deutlich größeren Zuwachs an Fläche verursacht. Sinnvollerweise kann auch beim erfindungsgemäßen Sensor zwischen dem Antrieb und der Membran eine Anpasskeramik angeordnet sein, um auf diese Weise eine Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten sowie eine optimierte Einleitung einer Schwingung des Antriebes in die Membran zu erreichen.
- Der Antrieb ist vorteilhafterweise über eine Spanneinrichtung mit der Membran verspannt, wobei die Spanneinrichtung vorzugsweise einen mit der Membran verbundenen und sich in der Öffnung der Piezoelemente erstreckenden, vorzugsweise metallischen Zugbolzen aufweist und der Antrieb mit einer Spannschraube über den Zugbolzen gegen die Membran gespannt ist.
- Um eine zuverlässige Funktion des Antriebes sicherzustellen, ist dieser vorzugsweise gegen die Spanneinrichtung elektrisch isoliert, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass zwischen dem Zugbolzen und den Piezoelementen wenigstens eine isolierende Hülse angeordnet ist. Eine ober- und unterseitige Isolierung des Antriebes gegenüber metallischen Teilen, beispielsweise der Spanneinrichtung, kann durch das Vorsehen zusätzlicher keramischer Scheiben erreicht werden.
- Eine geschickte Ausgestaltung, bei der eine elektrische Kontaktierung durch die Öffnung erfolgt, kann erreicht werden, wenn die Spanneinrichtung wenigstens abschnittsweise hohl ausgestaltet ist.
- Alternativ dazu kann der Zugbolzen der Spanneinrichtung in Radialrichtung wenigstens einseitig abgeflacht ausgestaltet sein, sodass entlang dieser Abflachung die elektrische Kontaktierung innerhalb der Öffnung geführt werden kann.
- Um Piezoelemente auf mehrere Ebenen beziehungsweise die Ober- und Unterseiten der Piezoelemente kontaktieren zu können, kann die isolierende Hülse zwischen der Spanneinrichtung und den Piezoelementen in Längsrichtung mehrteilig ausgestaltet sein, sodass zwischen den einzelnen Hülsen die Kontakte der jeweiligen Piezoelemente in Radialrichtung durchgeführt werden können.
- An der Membran des Vibrationssensors kann ein mechanischer Schwinger, vorzugsweise ein Gabelschwinger oder ein Paddel angeordnet sein, sodass zusätzlich zu einer Schwingung der Membran auch eine Schwingung des mechanischen Schwingers zur Detektion von Füllgut herangezogen werden kann.
- Eine besonders effektive Anordnung wird erreicht, wenn ein Durchmesser der Piezoelemente möglichst groß gewählt wird, das heißt im Wesentlichen einem Durchmesser der Membran entspricht. Auf diese Weise kann eine möglichst große Kraft erzeugt und vorzugsweise über die Anpasskeramik in die Membran eingekoppelt werden.
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen Vibrationssensor gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt), -
2 eine schematische Darstellung eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung und -
3 ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors. - In
2 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Vibrationssensors1 gemäß der vorliegenden Anmeldung gezeigt. Die Skizze ist bewusst vereinfacht dargestellt und zeigt nur die grundlegenden Komponenten des Vibrationssensors1 . - In
3 ist ein Ausführungsbeispiel des Vibrationssensors aus2 gezeigt. Die beiden Figuren werden nachfolgend gemeinsam behandelt. - Der Vibrationssensor
1 ist im Wesentlichen aus einem Antrieb3 , bestehend aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen7 , aufgebaut, die ober- und unterseitig über eine Anpasskeramik13 und Spannscheiben14 mittels einer Spanneinrichtung15 , die in2 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet ist, mit einer Membran5 des Vibrationssensors1 verspannt sind. Die Spanneinrichtung15 weist hierzu einen mit der Membran5 verbundenen und sich in einer Öffnung9 der Piezoelemente7 erstreckenden Zugbolzen17 auf, an dem endseitig eine Spannschraube19 zur Verspannung des Antriebes3 mit der Membran5 angeordnet ist. Zwischen dem Zugbolzen17 und dem Antrieb3 ist eine isolierende Hülse21 angeordnet, mittels derer insbesondere die Piezoelemente7 gegenüber dem metallischen Zugbolzen17 elektrisch isoliert und zentriert sind. Ein elektrische Kontaktierung11 , die beispielsweise durch Anschlusskabel25 ausgebildet sein kann, beispielsweise aber auch über einen sogenannten Flexleiter, verläuft durch die Öffnung9 , sodass ein Durchmesser d der Piezoelemente7 im Wesentlichen einem Durchmesser der Membran5 entspricht. Auf diese Weise wird eine optimierte Kraftentwicklung der Piezoelemente7 und damit Krafteinkopplung auf die Membran5 erreicht. - Im Ausführungsbeispiel der
3 ist der Spannbolzen17 in Axialrichtung einseitig abgeflacht, sodass die elektrische Kontaktierung11 der Piezoelemente7 innerhalb der Hülse21 zu zwischen den Piezoelementen7 angeordneten Elektroden8 geführt werden kann. - Wie aus
3 deutlich zu erkennen ist, können die Piezoelemente7 im Vergleich zum Stand der Technik, wie er beispielsweise aus1 hervorgeht mit deutlich größerem Durchmesser d und damit mit deutlich vergrößerter Fläche ausgestaltet werden. - Dem Antrieb
3 gegenüberliegend ist an der Membran5 ein mechanischer Schwinger23 , der vorliegend als Gabelschwinger ausgebildet ist, angeordnet. Auf diese Weise steht eine größere mechanische Anordnung als nur die Oberfläche der Membran5 zur Detektion eines Füllgutes zur Verfügung. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vibrationssensor
- 3
- Antrieb
- 4
- Gabelschwinger
- 5
- Membran
- 7
- Piezoelement
- 8
- Elektroden
- 9
- Öffnung
- 11
- Elektrische Kontaktierung
- 13
- Anpasskeramik
- 14
- Spannscheiben
- 15
- Spanneinrichtung
- 17
- Zugbolzen
- 19
- Spannschraube
- 21
- Hülse
- 23
- Mechanischer Schwinger
- 25
- Anschlusskabel
- R
- Radialrichtung
- d
- Durchmesser
Claims (8)
- Piezoelektrisch angetriebener Vibrationssensor (
1 ), insbesondere Vibrationsgrenzschalter, mit einer über einen Antrieb (3 ) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5 ), wobei der Antrieb (3 ) eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen (7 ) mit einer Öffnung (9 ) umfasst und eine elektrische Kontaktierung (11 ) der Piezoelemente (7 ) umfasst dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (11 ) der Piezoelemente (7 ) durch die Öffnung(9 ) geführt ist. - Vibrationssensor (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antrieb (3 ) und der Membran (5 ) eine Anpasskeramik (13 ) angeordnet ist. - Vibrationssensor (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3 ) über eine Spanneinrichtung (15 ) mit der Membran (5 ) verspannt ist, wobei die Spanneinrichtung (15 ) vorzugsweise einen mit der Membran (5 ) verbundenen und sich in der Öffnung erstreckenden vorzugsweise metallischen Zugbolzen (17 ) aufweist und der Antrieb (3 ) mit einer Spannschraube (19 ) über den Zugbolzen (17 ) gegen die Membran (5 ) gespannt ist. - Vibrationssensor (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (7 ) gegen die Spanneinrichtung (15 ) elektrisch isoliert sind. - Vibrationssensor (
1 ) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zugbolzen (17 ) und den Piezoelementen (7 ) wenigstens eine isolierende Hülse (21 ) angeordnet ist. - Vibrationssensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugbolzen in Radialrichtung wenigstens einseitig abgeflacht ausgestaltet ist.
- Vibrationssensor (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membran (5 ) ein mechanischer Schwinger (23 ), vorzugsweise ein Gabelschwinger (4 ) oder ein Paddel, angeordnet ist. - Vibrationssensor (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Piezoelemente (7 ) im Wesentlichen einem Durchmesser der Membran (5 ) entspricht.
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