DE19621449A1 - Vibrationsresonator, Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationsresonators und Vibrations-Füllstand-Grenzschalter mit einem solchen Vibrationsresonator - Google Patents
Vibrationsresonator, Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationsresonators und Vibrations-Füllstand-Grenzschalter mit einem solchen VibrationsresonatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Vibrationsresonator zur Füllstands
auswertung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren
zum Betreiben eines solchen Vibrationsresonators und einen Vi
brations-Füllstand-Grenzschalter mit einem solchen Vibrations
resonator.
Vibrations-Füllstand-Grenzschalter enthalten als Sensorelement
einen Vibrationsresonator, welcher beispielsweise als Gabel-
oder Rohrschwinger zur Detektion flüssiger oder pulverartiger
Medien in der industriellen Füllstandmeßtechnik eingesetzt wird.
Aus den Dokumenten DE 39 31 453 C1, DE 41 18 793 A1, DE 42 03
715 A1, DE 42 32 719 A1 und DE 44 39 879 C1 sind solche Vor
richtungen bekannt, mit denen das Erreichen eines vorbestimmten
Füllstandes in einem Behälter festgestellt werden kann. Diese
auch als Grenzstandgeber, Grenzschalter oder Vibrationsfüll
standsensoren bezeichneten Vorrichtungen lösen bei bestimmten
Füllhöhen Schaltbefehle aus. Sie können als Maximum- oder Minim
umschalter eingesetzt werden. Maximumschalter verhindern bei
spielsweise das Überfüllen von Behältern durch Abschalten der
Fördereinrichtung. Minimumschalter erzeugen dagegen bei Absinken
des Füllgutes unter einen vorbestimmten Minimalstand Schaltbe
fehle. Solche Minimumschalter werden oft als Trockenlaufschutz
für Fördereinrichtungen eingesetzt.
Im allgemeinen weisen diese 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 Vibrationsresonators, also
eines mechanischen Schwingungssystemes. An der ihrem distalen
Ende abgewandten Seite sind die Schwingstäbe an einer Membran,
die an ihrem Rand eingespannt ist, befestigt.
Auf der den Schwingstäben abgewandten Seite der Membran ist eine
Piezoeinrichtung angeordnet, um die Schwingstäbe einerseits zu
erregen und andererseits deren Schwingungen zu detektieren. Bei
den bisher bekannten Vorrichtungen besteht die Piezoeinrichtung
regelmäßig aus in ihrer Funktion voneinander völlig getrennten
Erregungs- und Empfangswandlern mit mindestens jeweils einem
piezoelektrischen Element.
Die Amplitude der vom Erregungswandler aufgrund der angelegten
Wechselspannung hervorgerufenen Schwingungen wird durch den
Empfangswandler erfaßt, der die mechanischen Schwingungen der
Schwingstäbe und der Membran in ein elektrisches Ausgangssignal
umwandelt. Damit dieses elektrische Ausgangssignal der elektro
nischen Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt werden kann, müs
sen die beiden Elektroden des Empfangswandlers, an denen das
Ausgangssignal des Empfangswandlers abgreifbar ist, über zwei
weitere Leitungsdrähte mit der elektronischen Steuer- und Aus
werteeinheit verbunden sein. Das in der Steuer- und Auswerteein
heit an den beiden Leitungsdrähten abgreifbare Signal ist ein
Maß zur Feststellung, ob der Behälter bis zur Höhe der darin
angeordneten Schwingvorrichtung gefüllt ist.
Ein vereinfachtes Blockschaltbild eines bekannten Grenzschalters
gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 5 dargestellt. Ein
derartiger Grenzschalter gibt im wesentlichen die prinzipiellen
Anordnungen für Grenzschalter gemäß der DE 42 32 719 A1 oder der
DE 44 39 879 C1 wieder.
Der Vibrationsresonator ist mit 1 bezeichnet, welcher ein Er
reger-Piezoelement 6 und ein Detektions-Piezoelement 2 enthält.
Das Ausgangssignal des Vibrationsresonators 1 wird einem Ein
gangsverstärker 3 zugeführt. Das vom Eingangsverstärker ver
stärkte Signal gelangt über ein Bandfilter 4 zum Eingang eines
Endverstärkers 5, dessen Ausgang mit dem Eingang des Vibrations
resonators 1 verbunden ist.
Die Schwingungen des Vibrationsresonators 1 werden vom Piezo
element 2 detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt,
welches dann vom Eingangsverstärker 3 verstärkt wird. Das Band
filter 4 dient dazu, die Grundwellenschwingung des Ausgangssi
gnals des Vibrationsresonators 1 herauszufiltern. Diese Grund
wellenschwingung wird vom Endverstärker 5 verstärkt und dieser
steuert das Erreger-Piezoelement 6 an, welches den Vibrations
resonator 1 antreibt.
In Fig. 5 ist lediglich jeweils ein einzelnes Piezoelement 2
und 6 dargestellt. Anstelle eines einzelnen Piezoelementes wer
den in der Praxis häufig mehrere mechanisch in Reihe geschaltete
Piezoelemente verwendet, um eine für die Anwendung ausreichende
Antriebsamplitude zu erhalten, denn Sensoren, die auf Vibra
tionsesonatoren basieren, bedürfen systembedingt der Schwin
gungserregung. Da sie infolge von Füllgutkontakt dem Schwin
gungsenergieabfluß unterliegen, kann ein dem Schwingelement
zugeführtes Mindestmaß an Antriebsenergie nicht unterschritten
werden.
Nachteilig an diesen bekannten Vorrichtungen ist, daß für An
trieb und Detektion stets getrennte Signalwege vorgesehen wer
den, die zwischen der Resonatoreinrichtung und der elektroni
schen Steuer- und Auswerteeinheit mindestens drei, aus Gründen
der Störfestigkeit in der Praxis jedoch vier, Zuleitungsdrähte
erforderlich macht. Außerdem sind bei den bekannten Vorrichtun
gen die Erregungs- und Empfangswandler jeweils separat durch
eigene piezoelektrische Elemente realisiert. Die piezoelektri
schen Elemente des Erregungswandlers müssen von den piezoelek
trischen Elementen des Empfangswandlers elektrisch isoliert
werden, was zusätzlichen Herstellungsaufwand bedeutet. Die hohe
Anzahl von Teilen und Leitungen bei den bekannten Vorrichtungen
erhöht die Gefahr von Fertigungsfehlern und senkt sowohl die
Gesamtzuverlässigkeit als auch den Gesamtwirkungsgrad eines
derartigen Sensorsystemes, insbesondere bei Hochtemperaturanwen
dungen. Vor allem erhöht im Kraftverlauf zwischen dem Antriebs
piezo und der Membran jedes eingesparte mechanische Teil und
jede eingesparte mechanische Wegstrecke den Antriebswirkungs
grad, da das Piezoelement nur äußerst geringen Antriebshub zur
Verfügung stellen kann und jedes im Kraftverlauf zwischenge
schaltete Element einen Teil des Hubes aufzehrt. Solche hub
aufzehrenden Elemente, die bislang unverzichtbarer Bestandteil
von Piezoantriebs- und -detektionsstapeln waren, sind Isolier
zwischenlagen, Elektrodenzwischenlagen und Detektionspiezos und
vor allem die bezüglich Langzeitstabilität undefinierbaren
Grenzflächen zwischen den vorgenannten Stapelelementen. Auch
jeder Teil eingesparter Wegstrecke der kraftübertragenden Zug-
und Druckbolzen, deren Länge durch die Baulänge des Piezo-An
triebs-/Detektionsstapels festgelegt ist, vermeidet Antriebs
amplitudenverluste. Schließlich schafft die reduzierte Baulänge
einer Zweipol-Piezoantriebs-/detektionsbaugruppe auch die Vor
aussetzung für eine verringerte Baulänge des die Piezobaugruppe
umschließenden Edelstahl-Einschub-/Befestigungsteils und somit
Material- und Kosteneinsparungen.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei der Verwendung bisher
bekannter Systeme im explosionsgefährdeten Bereich. Dort müssen
Piezoelemente stringent gegen die Gefahr von infolge mechani
scher Stöße verursachter Spannungsspitzen abgesichert werden.
Hierzu sind für jedes Anschlußleitungspaar dreifach ausgeführte
antiserielle Z-Dioden-Schutzschaltungen vorgeschrieben, die
neben einer Erhöhung des Herstellaufwandes der bekannten Vor
richtungen auch nachteiligerweise eine Volumenvergrößerung zur
Folge haben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Vibrationsresonator zur Füllstandauswertung anzugeben, der im
Vergleich zu den bisher bekannten Vibrationsresonatoren erheb
lich einfacher aufgebaut ist und dadurch eine geringere Stör
anfälligkeit aufweist. Zusätzlich soll ein Verfahren zum Betrei
ben eines solchen Vibrationsresonators und ein Vibrations-Füll
stand-Grenzschalter mit einem solchen Vibrationsresonator ange
geben werden.
Diese Aufgabe wird für den Vibrationsresonator durch die Merkma
le des Anspruchs 1, für das Verfahren durch die Merkmale des An
spruchs 12 und für den Vibrations-Füllstand-Grenzschalter durch
die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Weiterbildende Merkmale
sind in den sich jeweils anschließenden abhängigen Unteransprü
chen angegeben.
Der erfindungsgemäße Vibrationsresonator zur Füllstandauswertung
besteht im wesentlichen aus einem an einer Halterung angebrach
ten mechanischen Schwingungssystem, das mindestens zwei
Schwingstäbe aufweist, die im Abstand zueinander an einer am
Rand festgelegten Membran befestigt sind. Auf der den
Schwingstäben abgewandten Seite der Membran ist eine als elek
trischer Zweipol ausgebildete Piezoeinrichtung angeordnet, die
sowohl zur Erregung der Schwingstäbe als auch zur Detektion der
Schwingungen der Schwingstäbe vorgesehen ist. Die als Zweipol
ausgebildete Piezoeinrichtung weist mindestens ein Piezoelement
mit zwei Elektroden auf, welche über jeweils eine Leitungsader
einer Zweidrahtleitung mit einer elektronischen Steuer- und
Auswerteeinheit verbunden sind.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Vorrichtungen ist der ent
scheidende Unterschied bei der Vorrichtung nach der Erfindung
darin zu sehen, daß die Piezoeinrichtung lediglich zwei An
schlüsse, über die das in der Piezoeinrichtung vorzusehende
mindestens eine Piezoelement mit der Steuer- und Auswerteeinheit
elektrisch verbunden ist, benötigt. Die Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, daß es nicht zwingend notwendig ist, separate Erre
gungs- und Empfangswandler mit jeweils eigenen Piezoelementen
vorzusehen. Es ist vielmehr auch möglich, ein und dasselbe Pie
zoelement, bei geschickter Ansteuerung und Auswertung durch die
Steuer- und Auswerteeinheit, sowohl zur Schwingungserregung als
auch zur Schwingungsdetektion heranzuziehen. Damit beschreitet
die vorliegende Erfindung eines Vibrationsresonators zur Füll
standauswertung mit einem Zweipol zur Schwingungserregung und
Schwingungsdetektion einen völlig neuen Weg bei der Realisierung
von Vibrationsfüllstandssensoren.
Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist die im Vergleich
zu den bisher bekannten Vibrationsresonatoren erhebliche Redu
zierung an notwendigen Komponenten, da anstelle der bisher übli
chen vier Zuleitungen nur zwei Zuleitungen notwendig sind und
auch die Anzahl der notwendigen Piezoelemente erheblich redu
ziert ist. Durch die Verwendung lediglich eines einzigen Piezo
elementes verringern sich auch die zuvor erwähnten Schutzmaß
nahmen erheblich. Außerdem wird die Fehleranfälligkeit des Sy
stems verringert. Durch die Verringerung der notwendigen Bau
elementenanzahl kann das Volumen des Vibrationsresonators eben
falls reduziert werden.
Aufgrund des kompakten Aufbaus eines derartigen aus nur noch
wenigen Teilen bestehenden Vibrationsresonators ergibt sich ein
sehr hoher Wandlungswirkungsgrad, der es gestattet, je nach
verwendetem Vibrationsresonator auf die bisher benötigte mecha
nische Reihenschaltung mehrerer Antriebselemente zu verzichten
oder zumindest diese in der Anzahl wesentlich zu reduzieren.
Obwohl es mit dem vorliegenden Vibrationsresonator nach der
Erfindung ohne weiteres möglich ist, als Antriebs-/Detektions
einrichtung lediglich ein einziges Piezoelement einzusetzen,
kann bei Bedarf der Zweipol durch weitere Piezoelemente ergänzt
werden. Im Sinne der Erfindung ist es lediglich notwendig, daß
alle Piezoelemente mit ihren Elektroden elektrisch parallel und
mechanisch in Reihe geschaltet sind. Hierdurch können beispiels
weise die Antriebskräfte im Vergleich zu einem einzigen Piezo
element deutlich erhöht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Vibrationsresonator
an eine Steuer- und Auswerteeinheit, die über die erwähnte Zwei
drahtleitung zum Antriebs-/Detektionszweipol sowohl die Schwin
gungserregung als auch die Schwingungsdetektion an der Membran
und damit an den Schwingstäben herbeiführt, angeschlossen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vor
gesehen, daß das Piezoelement oder die Piezoelemente als ring
förmige Piezoelemente mit ringförmigen Elektroden ausgebildet
sind. Innerhalb der Halterung des Vibrationsfüllstandsensors
kann so ein Zugbolzen angeordnet werden, der sich orthogonal zur
Membran erstreckt und mit seinem unteren Ende zentrisch an der
Membran mit dieser feststehend verbunden ist. Der Zugbolzen ragt
durch das oder die ringförmigen Piezoelemente mit den ringförmi
gen Elektroden und ist an seinem oberen Ende mittig an einer
Druckplatte angekoppelt. Das oder die ringförmigen Piezoelemente
werden zweckmäßigerweise zwischen einer beabstandet über der
Membran feststehenden Bodenplatte und der Druckplatte angeord
net. Sofern der Zugbolzen axial verschieblich und verschwenkbar
angeordnet ist, läßt sich eine Entkopplung der Unterseite des
Piezoelementes von der Membran erreichen, wodurch eine verbes
serte Betriebsweise gewährleistet ist. Die Entkopplung der Un
terseite des Piezoelementes von der Membran ist insbesondere
antriebsseitig positiv, da die Membran durch die genannte Ent
kopplung frei schwingen kann und nicht durch Auflagen oder Ver
schraubungen bedämpft wird. Es wirkt lediglich der in der Reso
nanzfrequenz der Schwinggabel über das Piezoelement oder die
Piezoelemente angetriebene Zugbolzen auf die Membran.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Bodenplatte, auf
der die Unterseite des Piezoelementes oder die Unterseite eines
Stapels von Piezoelementen aufsitzt, einstückig an der Halte
rung der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzuformen. Die Halterung
wird hierbei zweckmäßigerweise als Einschraubstück mit Außenge
winde gebildet. Durch die einstückige Anformung der Bodenplatte
an das Einschraubstück läßt sich die erfindungsgemäße Vorrich
tung in besonders einfacher Weise herstellen.
Wird der Zugbolzen an seinem der Membran abgewandten Ende mit
einem Gewinde versehen, auf welchem ein sich an einer Druck
platte abstützendes Schraubelement aufgeschraubt ist, kann in
einfacher Weise eine vorgegebene Vorspannung an der Membran
eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Vibrations
resonators zielt darauf ab, ein einziges Zweipolpiezoelement
sowohl als Erreger-Element als auch als Detektions-Element ein
zusetzen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß das in bekannter
Weise dem Piezoelement zugeführte und zwischen mindestens zwei
Spannungswerten oszillierende Ausgangssignal des Rückkopplungs
verstärkers, welches die Umladung des Piezoelementes bewirkt,
erfindungsgemäß durch eine Ladestromregelschaltung den Umlade
vorgang zeitlich begrenzt, so daß unmittelbar daran anschließend
daßelbe Piezoelement für den Rest der Halbwelle zur Detektion
herangezogen werden kann. Während des Umladevorganges wird das
Schwingungsdetektionssignal ausgetastet. Das Piezoelement wird
also im Takt des Erregersignals zwischen mindestens zwei de
finierten Spannungswerten wechselweise umgeladen, wobei eine
Ladestromregelschaltung den Umladevorgang auf endliche Zeitdau
er, welche kürzer als eine Schwingungshalbperiode ist, begrenzt
und das Schwingungsdetektionssignal anhand der während des rest
lichen Zeitintervalls bis zum nächsten Umladevorgang piezoelek
trisch erzeugten Ladungsquanten von diesen ableitet.
Durch die Verwendung lediglich eines Piezoelements werden vor
teilhafterweise auch nur zwei Leitungen zum Anschluß des Sensors
benötigt. Dadurch verringern sich die zuvor erwähnten Schutzmaß
nahmen erheblich. Außerdem wird die Fehleranfälligkeit des Sy
stems verringert.
Aufgrund des kompakten Aufbaus eines derartigen aus nur noch
wenigen Teilen bestehenden erfindungsgemäßen Antriebssystems er
gibt sich ein sehr hoher Wandlungswirkungsgrad, der es gestat
tet, je nach verwendetem Vibrationsresonator auf die bisher be
nötigte mechanische Reihenschaltung mehrerer Antriebselemente zu
verzichten oder diese in der Anzahl wesentlich zu reduzieren. Es
ergibt sich daher eine deutliche Einsparung an Kosten und Bauvo
lumen.
Die benötigte Ladestromregelschaltung kann in einfacher Weise
durch eine Schaltung zur Erzeugung eines virtuellen Massepoten
tials, welche ausgangskreisseitig mit dem Piezoelement verbunden
wird, realisiert werden.
Zur Trennung von Antriebs- und Detektionssignal kann zusätzlich
eine Schaltung, die die im Ausgangskreis des Piezoelements ent
stehenden Signalspitzen austastet, vorgesehen werden. Als be
sonders vorteilhaft erweist sich hier die Verwendung eines Um
schalters, der für den Zeitraum des Ladestromes das Detektions
signal ausblendet und statt dessen mit Masse verbindet. Die
Erregungs-Ladungsquanten können so wirksam von den zur Detektion
herangezogenen Ladungsquanten getrennt werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch einfaches Parallelschal
ten eines Widerstandes zum Piezoelement und einer zugehörigen
Kompensationsschaltung. Tritt zum Beispiel eine Leitungsunter
brechung oder eine Beschädigung des Piezoelements auf, so wird
die Resonanzfrequenz des gesamten Schwingkreises auf einen au
ßerhalb eines vorgegebenen Standardbereichs liegenden Wert ver
schoben, der auf einfache Weise als Fehlersignal detektierbar
ist.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Ausführungs
beispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Vibra
tions-Füllstand-Grenzschalters,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf mehrerer Signale der in Fig. 1
dargestellten Schaltung,
Fig. 3 eine Erweiterungsschaltung der in Fig. 1 dargestell
ten erfindungsgemäßen Schaltung,
Fig. 4 eine vereinfachte Schaltung der in Fig. 1 dargestell
ten erfindungsgemäßen Schaltung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Vibrations-Füllstand-Grenz
schalters nach dem Stand der Technik,
Fig. 6 eine Längsschnittansicht durch einen ersten erfin
dungsgemäßen Vibrationsresonator zur Füllstandauswer
tung mit einem einzigen Piezoelement,
Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Halterung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vibra
tionsresonators mit drei elektrisch parallel und me
chanisch in Reihe geschalteten Piezoelementen,
Fig. 8 eine Längsschnittansicht durch einen dritten Vi
brationsresonator nach der Erfindung, und
Fig. 9 eine Längsschnittansicht durch einen vierten Vi
brationsresonator nach der Erfindung.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist als
Erreger- und Detektionselement ein einziges Piezoelement ge
wählt. Dieses kann selbstverständlich durch einen äquivalent
wirkenden Wandler ersetzt werden.
In Fig. 1 ist mit 7 ein Endverstärker dargestellt, dessen Ein
gang mit dem Ausgang eines Komparators 8 verbunden ist. Der
Komparator 8 wird vom Ausgangssignal eines Bandfilters 9 ge
speist. Dieses Signal ist mit D bezeichnet und dessen zeitlicher
Verlaufin Fig. 2 dargestellt. Der Eingang des Bandfilters 9
ist an den Ausgang eines Eingangsverstärkers 10 geschaltet.
Der Ausgang des Endverstärkers 7 ist einerseits mit einer ersten
Anschlußleitung 12 eines Vibrationsresonators 11 sowie anderer
seits mit dem ersten Eingang eines Exklusiv-Oder-Gatters 21
verschaltet. Des weiteren ist er mit einem an Masse 23 gelegten
Tiefpaß verbunden, der aus der Reihenschaltung eines Widerstands
17 und eines Kondensators 18 besteht. Das Ausgangssignal des
Endverstärkers 7 ist mit A bezeichnet und sein zeitlicher Ver
lauf ist der Fig. 2 entnehmbar. Die zweite Anschlußleitung 14
des Vibrationsresonators 11 ist mit einer Ladestromregelschal
tung 24 verbunden. Diese weist eingangsseitig einen ersten An
schluß eines Widerstandes 15 und den invertierenden Eingang
eines Operationsverstärkers 16 auf, welcher mit dem Anschluß 14
des Vibrationsresonators verbunden ist. Der andere Anschluß des
Widerstandes 15 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 16
verschaltet. Dessen nicht invertierender Eingang ist mit Masse
23 verbunden.
Das Signal, das am Knotenpunkt zwischen Ausgang des Operations
verstärkers 16 und des Widerstands 15 abgreifbar ist, ist mit B
bezeichnet. Der zeitliche Verlauf dieses Signales B ist in Fig.
2 dargestellt. Dieser Knotenpunkt ist zum einen über einen Wi
derstand 19 mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung aus Wi
derstand 17 und Kondensator 18 und zum anderen mit dem ersten
Umschaltkontakt eines steuerbaren Umschalters 22 verbunden. Der
andere Umschaltkontakt des Umschalters 22 ist an die Masse 23
geschaltet. Der Mittelkontakt des steuerbaren Umschalters 22 ist
mit einer Rückkopplungsleitung 26 verbunden, die mit ihrem ande
ren Ende an den Eingang des Eingangsverstärkers 10 geschaltet
ist. Der Knotenpunkt der Reihenschaltung aus Widerstand 17 und
Kondensator 18 ist weiterhin mit dem invertierenden Eingang
eines zweiten Operationsverstärkers 20 verschaltet, dessen nicht
invertierender Eingang mit Masse 23 verbunden ist. Der Ausgang
des Operationsverstärkers 20 ist mit dem zweiten Eingang des
Exklusiv-Oder-Gatters 21 verbunden. Das Ausgangssignal des Ex
klusiv-Oder-Gatters 21 ist mit C bezeichnet und dessen zeit
licher Verlauf ist wiederum der Fig. 2 entnehmbar. Dieses Aus
gangssignal C wird dem Steueranschluß des steuerbaren Umschal
ters 22 zugeführt. Die erwähnten Bauelemente 17 bis 21 sind
Bestandteil einer mit dem Bezugszeichen 25 bezeichneten Steuer
schaltung, welche den Umschalter 22 steuert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das im Vibrationsresona
tor 11 enthaltene Schwingungselement ein einzelnes Piezoelement
13, welches zwischen Eingang und Ausgang des Vibrationsresona
tors 11 geschaltet ist und somit über eine Zweidrahtleitung 12
und 14 mit den übrigen Schaltungselementen verbindbar ist. Soll
te dessen Schwingungsamplitude nicht ausreichend groß sein, so
können diesem einen Piezoelement 13 weitere Piezoelemente elek
trisch parallel sowie mechanisch in Reihe geschaltet werden.
Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels wird anhand der charak
teristischen Signalverläufe, wie sie in Fig. 2 dargestellt
sind, näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Stromregelschaltung basiert auf einer La
dungskompensationsschaltung bestehend aus dem Widerstand 15 und
dem Operationsverstärker 16 und ist eingangsseitig mit dem Pie
zoelement 13 verschaltet. Sie dient dazu, ein virtuelles Masse
potential am Anschluß 14 zu erzeugen. Als Bezugspotential dient
die Masse 23, welche mit dem nicht invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 16 verbunden ist. Diese Masse 23 ist sym
metrisch zur nicht dargestellten positiven und negativen Versor
gungsspannung.
Die Anschlußleitung 12 des Piezoelementes 13 wird mit dem Aus
gangssignal A des Endverstärkers 7 beaufschlagt. Dieses Aus
gangssignal A stellt ein quasi binäres Signal dar, nämlich vor
zugsweise ein Rechtecksignal, und wird im Rückkopplungszweig
durch den Komparator 8 gebildet. Dieses Signal kann und wird in
der Praxis eine endlich steile Steigung aufweisen. Die Darstel
lung der Signalformen in Fig. 2 dient nur der prinzipiellen
Funktionsweise der Schaltung.
Prinzipiell wird durch die erfindungsgemäße Anordnung das Pie
zoelement 13 zu Beginn jeder Halbperiode an die Erregerspannung
A mit steil steigender Flanke angelegt. Durch die Kurzzeit
wirkung der Ladungskompensationsschaltung 24 wird der Piezoumla
destrom jedoch in seiner Höhe begrenzt. Die Erregerspannung A
bleibt dann bis zum Ende der Halbperiode bestehen. Dadurch än
dert sich die Geometrie des Piezoelements 13. Diese veränderte
Geometrie bleibt dann auch bis zum Ende der Halbperiode beste
hen. Die mechanischen Teile des Vibrationsresonators 11 wirken
dabei als Energiespeicher nach Art einer gespannten Feder, so
daß die Antriebskraft permanent über nahezu die gesamte Halb
periode hinweg auf den Vibrationsresonator einwirkt. Durch eine
nachfolgende entsprechend entgegengesetzte Flanke des Erreger
signals A wird der umgekehrte Vorgang eingeleitet. Auf diese
Weise kann eine Oszillation des Piezoelements 13 und damit des
Vibrationsresonators 11 erreicht werden.
Eine derartig wirkungsvolle Erregung kann durch eine einfache
impulsförmige, nur kurzzeitig andauernde Antriebskrafteinleitung
in das mechanische Vibrationselement 11 innerhalb jeder Halb
periode nicht erreicht werden, weshalb bisher eine Sensoranord
nung mit nur einem Piezoelement, das gleichzeitig als Erreger-
Element und als Detektions-Element dient, nicht in Frage kam.
Die erfindungsgemäße Anordnung löst jedoch dieses Problem.
Es folgt eine detaillierte Funktionsbeschreibung der in Fig. 1
dargestellten Schaltung.
Wechselt das Signal A seine Ausgangspolarität aufgrund des Be
ginns einer neuen Schwingungshalbperiode, so wird das Piezo
element 13 um den Betrag des Signalhubes von A umgeladen. Auf
grund des Widerstandes 15 sowie weiterer nicht dargestellter
Innenwiderstände der Schaltung, welche beispielsweise aus Grün
den des Explosionsschutzes erforderlich sein können, stellt sich
zunächst ein e-funktionsförmiger Umladestromverlauf durch das
Piezoelement 13 ein.
Die Ladungskompensationsschaltung 24 wird dabei übersteuert, so
daß die Leitung 14 während des Umladevorganges kein virtuelles
Erdpotential mehr führt. Nachdem sich das Piezoelement 13 um den
Betrag des Signalhubes von A umgeladen hat, gelingt es der La
dungskompensationsschaltung 24 wieder, das Potential der Leitung
14 zu stabilisieren, wodurch der Piezoumladestrom auf Null
fällt. Das Piezoelement 13 wurde auf diese Weise innerhalb eines
endlichen Zeitintervalls, unter Umgehung der theoretisch un
endlich abklingenden e-Ladefunktion, um den Erregerspannungshub
des Signals A umgeladen.
Während des verbleibenden Restes der Schwingungshalbperiode
kompensiert die Ladungskompensationsschaltung 24 alle aufgrund
der mechanischen Schwingbewegung des Vibrationsresonators 11
piezoelektrisch erzeugten Ladungsquanten, so daß die Spannung
über dem Piezoelement 13 konstant bleibt.
Die zu Kompensationszwecken fließende Ladungsmenge erzeugt dabei
über den Stromfühlwiderstand 15 einen entsprechenden Spannungs
abfall, welcher am Knotenpunkt zwischen Widerstand 15 und Aus
gang des Operationsverstärkers 16 als Signal B abgegriffen wer
den kann.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, setzt sich das Spannungssignal B aus
zwei Komponenten zusammen. Es handelt dabei einerseits um einen
relativ hohen, impulsartigen Anteil, welcher während der Pie
zoumladephase auftritt, also dann wenn das Ausgangssignal A des
Endverstärkers 7 seine Ausgangspolarität wechselt. Dieser im
pulsartige Anteil repräsentiert die für den Antrieb erforder
lichen Wirk- und Blindströme des Piezoelements 13. Andererseits
weist das Signal B einen sinusförmigen Anteil auf, welcher wäh
rend der restlichen Zeitdauer erscheint und das Schwingungsde
tektionssignal repräsentiert.
Zur Ausblendung der unerwünschten Piezoumladeströme wird vor
zugsweise eine Austastschaltung vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist diese Austastschaltung
durch eine Vorrichtung zur zeitweisen vollständigen Unterdrüc
kung des Signals B realisiert. Hierzu dient der steuerbare Um
schalter 22, der beispielsweise als Halbleiterschalter ausge
bildet sein kann. Dieser Umschalter 22 wird durch die aus den
Bauteilen 17 bis 21 bestehende Steuerschaltung 25 getaktet.
Hierzu dient das von der Steuerschaltung 25 erzeugte Steuer
signal C, welches den steuerbaren Umschalter 22 veranlaßt, min
destens während der vollständigen Dauer des Piezoumladestrom
impulses das Signal B nicht in den Rückkopplungszweig 26 durch
zuschalten, sondern statt dessen während dieses Zeitraumes die
Rückkopplungsleitung 26 mit dem Massepotential 23 zu verbinden.
Die Erzeugung des Signales C durch die Steuerschaltung 25 er
folgt durch die Verknüpfung zweier zueinander phasenverschobener
Signale mittels des Exklusiv-Oder-Gatters 21. Auf dessen einen
Eingang gelangt das Ausgangssignal des Endverstärkers A unverzö
gert. Dem anderen Eingang wird dieses Signal A über den durch
den Widerstand 17 und den Kondensator 18 gebildeten Tiefpaß und
den nachgeschalteten Komparator 20 zugeführt. Der ebenfalls auf
den Komparatoreingang wirkende Widerstand 19 sorgt zusätzlich
dafür, daß der Kondensator 18 sich erst dann über die Kompara
torschwelle hinaus umladen kann, wenn im Signal B der Piezoumla
deimpuls abgeklungen ist. Der Widerstand 17 ist zu diesem Zweck
etwa doppelt so groß wie Widerstand 19 dimensioniert.
Die erzeugte Austastlücke im Detektionssignal ist vorzugsweise
länger als der Umladeimpuls selbst, um auch den Einschwingvor
gang der Ladungskompensationsschaltung 24 auf das virtuelle
Massepotential vollständig mit zu unterdrücken.
Das Ausgangssignal des Halbleiterumschalters 22 wird dem aus den
Stufen 7 bis 10 bestehenden Oszillatorrückkoppelkreis zugeführt.
Es wird zunächst vom Eingangsverstärker 10 in der Amplitude
angehoben, anschließend filtert das Bandfilter 9 die Grundwel
lenschwingung des Vibrationsresonators 11 heraus, welche das
Zwischensignal D bildet.
Der als Nulldurchgangsdetektor wirkende Komparator 8 bestimmt
aus dem Signal D das jeweilige Ende der Schwingungshalbperiode
und veranlaßt daraufhin den Endverstärker 7, die Ausgangspola
rität der von ihm erzeugten Erregerspannung A zu wechseln. Das
binäre Schaltverhalten des Komparators 8 stellt sicher, daß die
Erregerspanung A während der vollständigen Dauer jeder Schwin
gungshalbperiode konstant bleibt. Dies ist von entscheidender
Bedeutung, da ansonsten in der Detektionssignalphase aufgrund
der differenzierenden Wirkung der Kapazität des Piezoelementes
13 unerwünschte Umladeströme auftreten würden.
Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es auf diese Weise, mit
einem einzelnen Piezoelement einen Vibrationsresonator permanent
anzutreiben und bis auf Ausnahme der verhältnismäßig kurzen
Austastlücke dessen Schwingung gleichzeitig zu detektieren.
Als zusätzlich vorteilhaft erweist sich die in Fig. 3 darge
stellte Erweiterungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung, wobei gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen
tragen. Zusätzlich sind folgende Elemente vorgesehen parallel
zum Vibrationsresonator 11 ist ein Widerstand 27 geschaltet. Des
weiteren ist ein Widerstand 28 vorgesehen, der einerseits mit
der Anschlußleitung 14 verbunden wird und der andererseits mit
dem über einen Inverter 29 geführten Erregersignal A gespeist
wird.
Der antiphasig zum Signal A gespeiste Widerstand 28 kompensiert
den parallel geschalteten Widerstand 27. Liegt kein Fehler vor,
so heben sich beide Widerstände 27, 28 in ihrer Wirkung auf,
wird eine der Piezoanschlußleitungen 12 oder 14 hingegen unter
brochen, so springt die Oszillationsschwingung des Rück
kopplungskreises auf einen Frequenzwert, der durch die Verstär
keranordnung 7 bis 10 bestimmt wird. Dieser Wert wird im Normal
betrieb des Vibrationsresonators 11 nie erreicht und kann somit
einfach als fehlerhaft detektiert werden.
In Fig. 4 ist eine vereinfachte Schaltungsanordnung der in
Fig. 1 dargestellten Schaltung gezeigt. Anstelle der dort vor
gesehenen Ladungskompensationsschaltung 24 wird ein einfacher
Widerstand 30 vorgesehen, der zwischen die zweite Anschlußlei
tung 14 und Massepotential geschaltet ist. Die zweite Anschluß
leitung 14 des Piezoelementes 13 ist direkt mit einer ersten
Eingangsklemme des Umschalters 22 in Verbindung. Die andere
Eingangsklemme des Umschalters 22 ist, wie in Fig. 1, auf Mas
sepotential geschaltet. Gesteuert wird der Umschalter 22 von
einem Steuersignal C, das in ähnlicher Weise, wie in Fig. 1
vorgestellt, gewonnen wird. Die an dem Widerstand 30 abfallende
Spannung dient als Detektionsspannung zum Erfassen der
Schwingungen am Piezoelement 13. Diese Detektionsspannung wird
über den Umschalter 22 dem Eingang des Verstärkers 10 zugeführt.
Der Umschalter 22 wird vom Steuersignal C umgeschaltet.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf piezoelektrische
Wandler beschränkt, sondern kann auch unter Beachtung der ent
sprechend dualen physikalischen Eigenschaften auf Vibrationsre
sonatoren mit induktiver Erregung und Detektion übertragen wer
den.
In Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines ersten beispielhaften
Vibrationsresonators 11 dargestellt, welcher in die Schaltungs
anordnung von Fig. 1 eingesetzt werden kann. Der Vibrations
resonator 11 weist zwei im Abstand parallel voneinander angeord
nete Schwingstäbe 102,103 auf, die im wesentlichen von gleicher
Form und gegeneinander um ihre Längsachse 180° gedreht angeord
net sind. Die beiden Schwingstäbe 102, 103 sind an ihrem oberen
Ende mit Kröpfungen 130, 131 versehen, welche auf ihrer dem
Behälterinneren abgewandten Seite fest stehend mit einer Membran
104 in Verbindung stehen. Die Membran 104 ist beispielsweise
kreisförmig ausgebildet und an ihrem Rand an einer Halterung 106
der Vorrichtung eingespannt. Die Halterung 106 ist beispiels
weise als Einschraubstück 107 ausgebildet.
Zweckmäßigerweise sind die Membran 104 und die Schwingstäbe 102,
103 einstückig aus Feinguß hergestellt und die Membran 104 aus
schließlich mit ihrem äußeren Rand an die Unterseite der noch zu
erläuternden Bodenplatte 118 angeschweißt. Eine solche Schweiß
naht 124 bietet der Membranperipherie wegen der außerordentlich
geringen Amplitude der zu übertragenden und von dem im vorlie
genden Ausführungsbeispiel einzigen Piezoelement 101 der Piezo
einrichtung bereitgestellten Schwingungsenergie eine massive
kraftschlüssige Abstützung.
Das Einschraubstück 107 ist, wie Fig. 1 zeigt, topfförmig aus
gebildet und verfügt über ein zylindrisches Außengewinde 108,
mit welchem die Vorrichtung 101 in einer Wandöffnung des Behäl
ters, dessen Füllstand festgestellt werden soll, befestigt wer
den kann. Hierzu ist das Einschraubstück 107 an seinem den
Schwingstäben 102, 103 gegenüberliegenden Ende z. B. mit einem
Sechskant versehen, um mittels eines Schraubenschlüssels in die
entsprechende Öffnung der Behälterwandung eingedreht werden zu
können.
Das topfförmige Einschraubstück 106 ist mit einem Hohlraum 122
ausgebildet, der an seiner der Membran 104 zugewandten Seite mit
der erwähnten Bodenplatte 118 abschließt. Die Bodenplatte 118,
die im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kreisförmig gestaltet
ist, ist vorzugsweise einstückig an das Einschraubstück 107 und
damit die Halterung 106 angeformt und verfügt über eine zentrale
Bohrung 120. Die Unterseite der Bodenplatte 118 verläuft par
allel zur Membran 104 und liegt zu dieser in einem vorgegebenen
Abstand, so daß sich die Membran 104 unterhalb der Bodenplatte
118 verformen kann, ohne die Bodenplatte 118 zu berühren. Die
Membran 104 ist lediglich an ihrem äußeren Rand mit der Boden
platte 118 verschweißt. Die Membran 104 kann also im vorliegen
den Ausführungsbeispiel frei schwingen und wird durch keine
Auflagen oder Verschraubungen bedämpft.
Auf der Oberseite der Bodenplatte 118 und damit innerhalb des
Hohlraumes 122 befindet sich im Ausführungsbeispiel von Fig. 1
eine als Zweipol ausgebildete Piezoeinrichtung, die als wesent
lichstes Element ein einziges Piezoelement 101, das vorliegend
ringförmig gestaltet ist, aufweist. Dieses ringförmige Piezo
element 101 weist an seiner Oberseite eine ringförmige Elektrode
109 und an seiner Unterseite eine ringförmige Elektrode 110 auf.
Zwischen der Elektrode 110 und der Oberseite der Bodenplatte 118
ist ein Isolierring 116 angeordnet. Ein weiterer Isolierring 115
befindet sich auf der dem Piezoelement 101 abgewandten Seite der
Elektrode 109. Auf dem Isolierring 115 sitzt eine Druckplatte,
hier eine Druckscheibe 114 auf, die in etwa den gleichen Außen
radius wie das ringförmige Piezoelement 101, die zugehörenden
ringförmigen Elektroden 109, 110 und die Isolierringe 115, 116
aufweist.
Das Piezoelement 101, die beiden Elektroden 109, 110, die Iso
lierringe 115, 116 und die Druckscheibe 114 sind gleichachsig
zueinander ausgerichtet und verfügen mittig über eine Öffnung,
in der ein Zugbolzen 105 sitzt. Dieser Zugbolzen 105 ist mit
seiner Unterseite fest stehend an der Membran 104 und zentrisch
zu dieser festgelegt, beispielsweise durch Schweißen.
Der Zugbolzen 105 ragt durch die bereits erwähnte Bohrung 120
der Bodenplatte 118 und erstreckt sich nach oben durch die Öff
nungen des Isolierringes 116, der Elektrode 110, des Piezoele
mentes 101, der Elektrode 109, des Isolierringes 115 und der
Druckscheibe 114. An seinem oberen Ende ist der Zugbolzen 105
mit einem Gewinde versehen, welches aus der Bohrung 117 der
Druckscheibe 114 herausragt. Auf dieses Gewinde ist ein sich an
der Druckscheibe 114 abstützendes Schraubelement 121, z. B. eine
Mutter oder dergleichen, aufschraubbar, um eine vorgegebene
Spannung der Membran 104 und/oder des Piezoelementes 101 ein
zustellen. Durch dieses Schraubelement 121 wird somit sowohl die
Vorspannung des Piezoelementes 101 aufgebracht als auch zugleich
eine Antriebsbefestigung erreicht.
Der Zugbolzen 105 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im
Bereich des Piezoelementes 101 und der Elektroden 109, 110 sowie
der Isolierringe 115, 116 von einer Isolierhülse 119 umgeben.
Zusätzlich ist der Zugbolzen 108 innerhalb dieser Isolierhülse
119 und den erwähnten Bohrungen 117, 120 axial verschieblich und
verschwenkbar angeordnet.
Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist die als Zweipol
ausgebildete Piezoeinrichtung, die im Ausführungsbeispiel von
Fig. 6 aus einem einzigen Piezoelement 101 besteht. Die beiden
Elektroden 109, 110 dieses Piezoelementes 101 sind jeweils über
eine Leitungsader 112, 113, die zu einer Zuleitung 111 gehören,
mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbindbar. Von dieser
Steuer- und Auswerteelektronik wird das Piezoelement 101 abwech
selnd, vorzugsweise innerhalb einer Halb-Periode der das Piezo
element 101 antreibenden Wechselspannung sowohl zur
Schwingungserregung als aus zur Schwingungsdetektion herangezo
gen. Eine hierfür z. B. geeignete Schaltungsanordnung wurde im
Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 vorgestellt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 7 ist die Halterung 106
der Vorrichtung mit einer im Hohlraum 122 befindlichen anderen
Piezoeinrichtung dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbei
spiel sind drei ringförmige Piezoelemente 101a, 101b und 101c
übereinander und damit mechanisch in Reihe angeordnet. Erfin
dungsgemäß sind diese drei Piezoelemente 101a, 101b und 101c
elektrisch parallel geschaltet zur Bildung eines Zweipoles,
welcher über die beiden Leitungsadern 112, 113 einer Zuleitung
111 mit der Steuer- und Auswerteeinheit in Verbindung steht. Der
zwischen der Druckscheibe 114 und der Bodenplatte 118 angeordne
te Ringstapel besteht, beginnend von der Bodenplatte 118, aus
folgenden Elementen:
Isolierring 116
Elektrode 110a
Piezoelement 101c
Elektrode 109a
Piezoelement 101b
Elektrode 110b
Piezoelement 101a
Elektrode 109b
Isolierring 115.
Elektrode 110a
Piezoelement 101c
Elektrode 109a
Piezoelement 101b
Elektrode 110b
Piezoelement 101a
Elektrode 109b
Isolierring 115.
Die Piezoelemente 101a, 101b und 101c sind elektrisch parallel
geschaltet. Hierfür sind die beiden Elektroden 109a, 109b mit
der Leitungsader 112 in Verbindung. Die beiden Elektroden 110a
und 110b stehen dagegen mit der Leitungsader 113 in Kontakt.
Wenngleich bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere Piezoelemente
101a, 101b und 101c vorgesehen sind, so sind diese Piezoelemente
101a, 101b und 101c elektrisch so geschaltet, daß von außen her
gesehen diese einen Zweipol bilden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Fig. 6 und Fig.
7 gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist
die vorliegende Erfindung nicht auf solche Vorrichtungen be
schränkt, bei denen die Bodenplatte 118 notwendigerweise von der
Membran entkoppelt sein muß. Vielmehr ist die vorliegende Erfin
dung auch bei solchen Vorrichtungen zur Füllstandmessung ein
setzbar, bei denen die Krafteinleitung der Resonatoreinrichtung
in eine der Membran angeformte Schulter, wie diese z. B. in
DE 41 18 793 A1 beschrieben ist, oder bei solchen Vorrichtungen an
wendbar, bei denen die Krafteinleitung der Resonatoreinrichtung
über zwei Druckzapfen in die Membran erfolgt. Letzteres ist
beispielsweise in dem Dokument DE 39 31 453 C1 beschrieben.
In Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel eines Vibrationsresonators
11 nach der Erfindung dargestellt. Anstelle des im Zusammenhang
mit den Fig. 6 und 7 beschriebenen Zugbolzenantriebs, wird
jetzt die Membran 104 mit Druck beaufschlagt. Hierfür ist das
Piezoelement 101 zwischen einer mit einer Einstell-Schraube 142
versehenen Druckplatte 141 und dem Zentrum der Membran 104 ein
gespannt. Die Druckplatte 141 stützt sich dabei an einem Se
gering 140, welcher in einer Ringnut des Einschraubstückes 106
sitzt, ab. Das Piezoelement 101 selbst ist in einer rohrförmigen
Halterung 143 angeordnet, welche sich an der Innenwandung des
Einschraubstückes 106 abstützt. Der Antrieb der Membran 104 ge
schieht bei dieser Anordnung durch seitens des Piezoelementes
101 versachten Wechseldrucks, so daß die Gabelzinken 102, 103 in
der einen Schwingungshalbwelle voneinander weggespreizt werden,
um in der darauffolgenden wieder zurückzufedern.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 9 erfolgt dagegen die Kraftein
leitung auf die Membran 104 unmittelbar in dem Membranbereich
der Gabelzinkenbefestigung. Hierfür ist das wieder unterhalb der
aus Fig. 8 bekannten Druckplatte 141 angeordnete Piezoelement
101 in einer rohrförmigen Halterung 145 angeordnet. Die Halte
rung 145 und das Piezoelement 101 sitzen zwischen zwei Platten
146, 147, wobei die untere Platte 147 eine ringförmige Schulter
147a, welche über der Gabelzinkenbefestigung sitzt, aufweist.
Anstelle einer ringförmigen Schulter 147a können auch zwei über
der Gabelbefestigung angeordnete Zapfen an der Unterseite der
Platte 147 angeformt sein.
Auch bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist es im Sinne
der Erfindung von wesentlicher Bedeutung, daß der Vibrations
resonator 11 als Zweipol ausgebildet ist, also entweder ein
einziges Piezoelement oder einen Stapel von elektrisch parallel
und mechanisch in Reihe geschalteten Piezos zur Schwingungs
detektion und -erregung aufweist.
Bezugszeichenliste
1 Vibrationsresonator
2 Detektions-Piezoelement
3 Eingangsverstärker
4 Bandfilter
5 Endverstärker
6 Erreger-Piezoelement
7 Endverstärker
8 Komparator
9 Bandfilter
10 Eingangsverstärker
11 Vibrationsresonator
12 Anschlußleitung
13 Piezoelement
14 Anschlußleitung
15 Widerstand
16 OP-Verstärker
17 Widerstand
18 Kondensator
19 Widerstand
20 OP-Verstärker
21 Exor-Gatter
22 Umschalter
23 Masse
24 Ladestromregelschaltung
25 Steuerschaltung
26 Rückkopplungsleitung
27 Widerstand
28 Widerstand
29 Inverter
30 Widerstand
101 Piezoelement
101a Piezoelement
101b Piezoelement
101c Piezoelement
102 Schwingstab
103 Schwingstab
104 Membran
105 Zugbolzen
106 Halterung
107 Einschraubstück
108 Außengewinde
109 Elektrode
109a Elektrode
109b Elektrode
110 Elektrode
110a Elektrode
110b Elektrode
111 Zuleitung
112 Leitungsader
113 Leitungsader
114 Druckscheibe
115 Isolierung
116 Isolierung
117 Bohrung
118 Bodenplatte
119 Isolierhülse
120 Bohrung
121 Schraubelement
122 Hohlraum
124 Schweißnaht
130 Kröpfung
131 Kröpfung
140 Segering
141 Druckplatte
142 Inbusschraube
143, 145 Halterung
146, 147 Platten
147a Schulter
A Signal, Erregerspannung
B Signal
c Steuersignal
D Signal
2 Detektions-Piezoelement
3 Eingangsverstärker
4 Bandfilter
5 Endverstärker
6 Erreger-Piezoelement
7 Endverstärker
8 Komparator
9 Bandfilter
10 Eingangsverstärker
11 Vibrationsresonator
12 Anschlußleitung
13 Piezoelement
14 Anschlußleitung
15 Widerstand
16 OP-Verstärker
17 Widerstand
18 Kondensator
19 Widerstand
20 OP-Verstärker
21 Exor-Gatter
22 Umschalter
23 Masse
24 Ladestromregelschaltung
25 Steuerschaltung
26 Rückkopplungsleitung
27 Widerstand
28 Widerstand
29 Inverter
30 Widerstand
101 Piezoelement
101a Piezoelement
101b Piezoelement
101c Piezoelement
102 Schwingstab
103 Schwingstab
104 Membran
105 Zugbolzen
106 Halterung
107 Einschraubstück
108 Außengewinde
109 Elektrode
109a Elektrode
109b Elektrode
110 Elektrode
110a Elektrode
110b Elektrode
111 Zuleitung
112 Leitungsader
113 Leitungsader
114 Druckscheibe
115 Isolierung
116 Isolierung
117 Bohrung
118 Bodenplatte
119 Isolierhülse
120 Bohrung
121 Schraubelement
122 Hohlraum
124 Schweißnaht
130 Kröpfung
131 Kröpfung
140 Segering
141 Druckplatte
142 Inbusschraube
143, 145 Halterung
146, 147 Platten
147a Schulter
A Signal, Erregerspannung
B Signal
c Steuersignal
D Signal
Claims (28)
1. Vibrationsresonator zur Füllstandauswertung mit einem an
einer Halterung (106) angeordneten mechanischen Schwin
gungssystem, das mindestens zwei Schwingstäbe (102, 103)
aufweist, die im Abstand zueinander an einer am Rand fest
gelegten Membran (104) befestigt sind, mit einer auf der
den Schwingstäben (102, 103) abgewandten Seite der Membran
(104) angeordnete Einrichtung zur Erregung der Schwing
stäbe (102, 103) und zur Detektion der Schwingungen der
Schwingstäbe (102, 103), sowie mit einer aus der Halterung
(106) führenden Zuleitung (111), welche die Einrichtung
mit einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit ver
bindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein
elektrischer Zweipol ist, daß der Zweipol mindestens ein
Piezoelement (101) mit zwei Elektroden (109, 110) auf
weist, und daß die Zuleitung (111) zu dem Zweipol eine
Zweidrahtleitung (111) mit zwei Leitungsadern (112, 113)
ist.
2. Vibrationsresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Zweipol mindestens zwei Piezoelemente (101a,
101b) mit jeweils Elektroden (109a, 109b, 110a, 110b) auf
weist, und daß diese Piezoelemente (101a, 101b) mechanisch
in Reihe angeordnet und mit ihren Elektroden (109a, 109b,
110a, 110b) elektrisch parallel geschaltet sind.
3. Vibrationsresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Piezoelement (101) oder die Piezo
elemente (101a, 101b) als ringförmige Piezoelemente mit
ringförmigen Elektroden (109a, 109b, 110a, 110b) ausge
bildet sind.
4. Vibrationsresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß innerhalb der Halterung (106) ein Zugbolzen (105)
angeordnet ist, welcher sich orthogonal zur Membran (104)
erstreckt und mit seinem unteren Ende zentrisch an der
Membran (104) mit dieser feststehend verbunden ist, daß
der Zugbolzen (105) durch das oder die ringförmige(n) Pie
zoelement(e) (101; 101a, 101b, 101c) mit den ringförmigen
Elektroden (109, 110; 109a, 109b, 110a, 110b) ragt und mit
seinem oberen Ende mittig an einer Druckplatte (114) ange
koppelt ist.
5. Vibrationsresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß das ringförmige Piezoelement (101) oder die me
chanisch in Reihe geschalteten Piezoelemente (101a, 101b,
101c) zwischen einer beabstandet über der Membran (104)
feststehenden Bodenplatte (118) und der Druckplatte (114)
angeordnet sind.
6. Vibrationsresonator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (105) axial verschieb
lich und verschwenkbar angeordnet ist, daß die untere
Ringfläche des ringförmigen Piezoelementes (101) von der
Membran (104) entkoppelt ist und auf der Bodenplatte (118)
aufsitzt, welche eine zentrale Bohrung (120) aufweist,
durch die sich der Zugbolzen (105) erstreckt und welche
mit der Halterung (106) verbunden ist.
7. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß an der Oberseite und an der Un
terseite des Piezoelementes (101) oder der mechanisch in
Reihe geschalteten Piezoelemente (101a, 101b) ein Isolier
ring (115, 116) angeordnet ist.
8. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Halterung (106) ein Ein
schraubstück (107) mit Außengewinde (108) aufweist.
9. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (114) eine das
mindestens eine ringförmige Piezoelement (101) überspan
nende Scheibe mit zentraler Bohrung (117), durch welche
sich der Zugbolzen (105) erstreckt, ist.
10. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (105) an seinem
der Membran (104) abgewandten und sich durch die Druck
scheibe (114) erstreckenden Ende mit einem Gewinde verse
hen ist, auf welchem ein sich an der Druckscheibe (114)
abstützendes Schraubelement (121) aufschraubbar ist.
11. Vibrationsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die als Zweipol ausgebildete
Einrichtung mit mindestens einem Piezoelement (101; 101a,
101b, 101c) über die Zweidrahtleitung (111) zur Steuer-
und Auswerteeinheit sowohl zur Schwingungserregung als
auch Schwingungsdetektion betreibbar ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Vibrationsresonators mit
einer Piezoeinrichtung innerhalb eines selbsterregbaren
Wandlersystems, bei welchem in Anhängigkeit einer Schwin
gungsdetektion ein Ausgangswechselsignal der Piezoeinrich
tung verstärkt der Piezoeinrichtung als Eingangswechsel
signal zur Schwingungserzeugung rückgeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Piezoeinrichtung (11) ein einzel
nes Piezoelement (13) sowohl zur Schwingungserzeugung als
auch Schwingungsdetektion aufweist, daß das Ausgangswech
selsignal in ein zwischen mindestens zwei definierten
Spannungswerten oszillierendes Rechtecksignal rechteckge
formt wird, daß das Piezoelement (13) zur Schwingungserre
gung während der Flankenwechsel des Rechtecksignales (A)
wechselweise um den Betrag der Differenz zwischen den Ma
ximal- und Minimalspannungswerten umgeladen wird, und daß
ein Schwingungsdetektionssignal anhand der während der
restlichen Zeitdauer der Schwingungsschaltperiode erzeug
ten Ladungsquanten am Piezoelement (13) abgegriffen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Rechtecksignal (A) zwei gleiche Spannungswerte unter
schiedlicher Polarität aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich
net, daß das Umladen für eine endliche Zeitdauer, die kür
zer als eine Schwingungshalbperiode des Rechtecksignales
(A) ist, durchgeführt wird, und daß das Eingangswechsel
signal während dieser Zeitdauern ausgetastet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere Piezoelemente (13) elektrisch
parallel und mechanisch in Reihe eingesetzt werden.
16. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter mit einem Vibrations
resonator, welcher in einen Rückkopplungszweig eines
selbsterregbaren Wandlersystems mit Verstärkeranordnung
geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vi
brationsresonator (11) wenigstens ein Piezoelement (13)
sowohl zur Schwingungserregung als auch Schwingungsdetek
tion aufweist mit zwei Anschlußleitungen (12, 14), daß die
Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ausgangsseitig ein zwi
schen zwei definierten Spannungswerten oszillierendes
Rechtecksignal (A) als Ausgangssignal bereitstellt, daß
die Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ausgangsseitig mit
der ersten Anschlußleitung (12) des Piezoelementes (13)
verbunden ist, daß die zweite Anschlußleitung (14) des
Piezoelementes (13) über eine Umschalteinrichtung (22) mit
dem Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) verbun
den ist, und daß eine Steuerschaltung (25) vorgesehen ist,
durch welche während der Flankenwechsel des Rechtecksigna
les (A) die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes
(13) vom Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10)
über die Umschalteinrichtung (22) abkoppelbar ist.
17. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 16, da
durch gekennzeichnet, daß während der Flankenwechsel des
Rechtecksignales (A) der Eingang der Verstärkeranordnung
(7, 8, 9, 10) über die Umschalteinrichtung (22) auf Be
zugspotential schaltbar ist.
18. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 16 oder
17, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Piezoelement
(13) vorgesehen ist.
19. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 16 oder
17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Piezoelemente
vorgesehen sind, daß diese mehreren Piezoelemente (101a,
b, c) elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschal
tet sind.
20. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü
che 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines
Piezoelementes (13) ein induktiver Wandler eingesetzt
wird.
21. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü
che 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker
anordnung (7, 8, 9, 10) einen Komparator zur Bildung des
Rechtecksignales (A) enthält.
22. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü
che 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladungs
kompensationsschaltung (24) vorgesehen ist zur Erzeugung
eines virtuellen Bezugspotentiales, welches an die zweite
Anschlußleitung (14) des Piezoelementes angelegt ist.
23. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 22, da
durch gekennzeichnet, daß die Ladungskompensationsschal
tung einen Widerstand (15) aufweist, der zwischen die
zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) und
den Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ge
schaltet ist, und einen Operationsverstärker (16) auf
weist, dessen nicht invertierender Eingang mit Masse und
dessen invertierender Eingang mit dem Knotenpunkt der Rei
henschaltung aus Piezoelement (13) und Widerstand (15)
verbunden ist.
24. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü
che 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer
schaltung (25) vorgesehen ist, die ein Umschaltsignal für
den Umschalter (22) bereitstellt.
25. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 24, da
durch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (25) den
Umschalter (22) so steuert, daß wahlweise das Ausgangs
signal des Piezoelementes (13) oder ein Massepotential (23)
mit dem Eingang der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) ver
bunden wird.
26. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprü
che 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum
Piezoelement (13) ein Widerstand (27) geschaltet ist und
daß eine Kompensationsschaltung (28, 29) vorgesehen ist,
welche den parallel geschalteten Widerstand (27) kompen
siert.
27. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 26, da
durch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung einen
weiteren Widerstand (28) aufweist, der zum einen mit der
zweiten Anschlußleitung (14) des Piezoelementes (13) ge
koppelt ist und zum anderen von einem zum Rechtecksignal
(A) der Verstärkeranordnung (7, 8, 9, 10) gegenphasigen
Signal gespeist wird.
28. Vibrations-Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 22 oder
23, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Ladungskom
pensationsschaltung (24) ein Widerstand (30) vorgesehen
ist, welcher zwischen Massepotential und die zweite An
schlußleitung (14) des Piezoelementes (13) geschaltet ist,
und daß die zweite Anschlußleitung (14) des Piezoelementes
(13) direkt an eine Klemme des Umschalters (22) geschaltet
ist.
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