DE102016108553A1

DE102016108553A1 - Piezoelektrisch angetriebener Vibrationsgrenzschalter mit optimierter Wirkfläche

Info

Publication number: DE102016108553A1
Application number: DE102016108553.7A
Authority: DE
Inventors: Volker ALLGAIER; Dominik Fehrenbach
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-09

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 Antrieb 3 zu einer Schwingung anregbare Membran 5 auf, wobei der Antrieb 3 eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen 7 mit einer Öffnung 9 und eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente 7 umfasst. Typischerweise sind die Piezoelemente 7 über einen an der Membran 5 des Vibrationssensors 1 angeordneten Zugbolzen 17, der durch die Öffnung 9 der Piezoelemente 7 verläuft, über eine Spannschraube 19 gegen die Membran 5 gespannt, sodass eine über ein elektrisches Signal erzeugte Schwingung der Piezoelemente 7 zuverlässig auf die Membran 5 übertragen wird. Typischerweise sind zwischen den Piezoelementen 7 und der Membran 5 eine Anpasskeramik 13 und eine Spannscheibe 14 angeordnet, die für eine gezielte Einleitung der mechanischen Schwingung in die Membran 5 sowie eine elektrische Isolierung der Piezoelemente 7 gegenüber der typischerweise metallisch ausgebildeten Membran 5 sowie eine thermische Anpassung sorgt. Analog zu Anpasskeramik 13 und Spannscheibe 14 zwischen der Membran 5 und den Piezoelementen 7 kann ebenfalls eine weitere Anpasskeramik 13 und eine Spannscheibe 14 zwischen der Spannschraube 19 und den Piezoelementen 7 vorgesehen sein, sodass auch die Spannschraube 19 gegenüber den Piezoelementen 7 elektrisch isoliert ist.
Eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente 7 erfolgt über an den Oberflächen der Piezoelemente 7 angeordnete und über Kabel 25 von außen kontaktierte Elektroden 8.
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 Vibrationssensors 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung gezeigt. Die Skizze ist bewusst vereinfacht dargestellt und zeigt nur die grundlegenden Komponenten des Vibrationssensors 1.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Vibrationssensors aus 2 gezeigt. Die beiden Figuren werden nachfolgend gemeinsam behandelt.
Der Vibrationssensor 1 ist im Wesentlichen aus einem Antrieb 3, bestehend aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen 7, aufgebaut, die ober- und unterseitig über eine Anpasskeramik 13 und Spannscheiben 14 mittels einer Spanneinrichtung 15, die in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet ist, mit einer Membran 5 des Vibrationssensors 1 verspannt sind. Die Spanneinrichtung 15 weist hierzu einen mit der Membran 5 verbundenen und sich in einer Öffnung 9 der Piezoelemente 7 erstreckenden Zugbolzen 17 auf, an dem endseitig eine Spannschraube 19 zur Verspannung des Antriebes 3 mit der Membran 5 angeordnet ist. Zwischen dem Zugbolzen 17 und dem Antrieb 3 ist eine isolierende Hülse 21 angeordnet, mittels derer insbesondere die Piezoelemente 7 gegenüber dem metallischen Zugbolzen 17 elektrisch isoliert und zentriert sind. Ein elektrische Kontaktierung 11, die beispielsweise durch Anschlusskabel 25 ausgebildet sein kann, beispielsweise aber auch über einen sogenannten Flexleiter, verläuft durch die Öffnung 9, sodass ein Durchmesser d der Piezoelemente 7 im Wesentlichen einem Durchmesser der Membran 5 entspricht. Auf diese Weise wird eine optimierte Kraftentwicklung der Piezoelemente 7 und damit Krafteinkopplung auf die Membran 5 erreicht.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der Spannbolzen 17 in Axialrichtung einseitig abgeflacht, sodass die elektrische Kontaktierung 11 der Piezoelemente 7 innerhalb der Hülse 21 zu zwischen den Piezoelementen 7 angeordneten Elektroden 8 geführt werden kann.
Wie aus 3 deutlich zu erkennen ist, können die Piezoelemente 7 im Vergleich zum Stand der Technik, wie er beispielsweise aus 1 hervorgeht mit deutlich größerem Durchmesser d und damit mit deutlich vergrößerter Fläche ausgestaltet werden.
Dem Antrieb 3 gegenüberliegend ist an der Membran 5 ein mechanischer Schwinger 23, der vorliegend als Gabelschwinger ausgebildet ist, angeordnet. Auf diese Weise steht eine größere mechanische Anordnung als nur die Oberfläche der Membran 5 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

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.