(57)【要約】本発明は、表面波を有する液体中でさえ安定して機能する、容器内の所定レベルを決定及び／又は監視する装置に関する。この装置は、上記所定レベルの高さに配置された機械振動器と、動作時に上記振動器に共鳴振動を生じさせる電気機械変換器（９）と、共鳴振動を用いることにより上記所定レベルに達したか否かを決定する役目を有する受信及び算出部（１３）とを備えている。上記目的のために、上記振動器の形状が、上記所定レベルの範囲内に浸った時にその浸った深さに応じて上記共振周波数がゆっくりと変化するように形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置において、
前記所定の充填レベルの高さに配置された機械振動構造体と、
動作時に前記振動構造体を駆動して共鳴振動で振動させる電気機械変換器と、
前記共鳴振動の共振周波数を用いて前記所定の充填レベルに到達したか否かを決定する受信機及び算出部とを備え、
前記所定の充填レベルの範囲内に浸った場合におけるその浸った深さで前記共振周波数がただゆっくりと変化するように前記振動構造体の形状が構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記振動構造体は少なくとも１つの、膜に取り付けられた振動棒（７）を有し、
該振動棒は、動作時にその長手軸（Ｌ）に垂直に共鳴振動を行い、該振動棒の端部にへら（８）が形成されており、
動作時に充填物質を介して移動される、長さが等しく分離されたへら断面部の突出した表面が、前記へら（８）の中央部で最大になり、前記へら（８）の自由端へ向かう方向に減少していくことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記振動構造体は少なくとも１つの、膜（３）に取り付けられた振動棒（７）を有しており、該振動棒は、動作時にその長手軸（Ｌ）に垂直に共鳴振動を行い、該振動棒の端部にへら（８）が形成されており、該へらは膜から遠い側の端部領域（１９）を有し、その幅は膜から遠い方向に減少していくことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記へらはその端部領域（１９）で前記へらの長手軸（Ｌ）に対して２０°と５５°の間の角度αに傾斜していることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記へら（８）は点で終端していることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
履歴段が設けられており、該履歴段は、低い方の参照周波数値以下になった時に前記所定の充填レベルへ到達したものと前記装置が決定し、この状態を高い方の参照周波数値に到達又はこれを越えるまで前記装置が維持するように形成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の充填レベルリミットスイッチは、産業の多くの分野、特に化学及び食品産業に応用されている。これらは限界レベルを検知する役割を有しており、例えば、入れ過ぎを監視するのに使用されたり、或いは空になるまで吸引することを防止するのに使用される。
【０００３】
独国特許公開第４４ １９ ６１７号には、容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置が記載されている。この装置は、
所定の充填レベルの高さに配置された機械振動構造体と、
動作時に上記振動構造体を駆動して共鳴振動で振動させる電気機械変換器と、
上記共鳴振動の共振周波数を用いて所定の充填レベルに到達したか否かを決定する受信機及び算出部と、
を備えている。
【０００４】
上記電気機械変換器は、少なくとも１つの送信機を有しており、この送信機に電気送信信号が印加されることで、機械振動構造体を駆動して振動させる。上記振動構造体の機械振動を検知して、それを電気受信信号に変換する受信機が設けられている。上記算出部は、上記受信信号を得て、その周波数を参照周波数と比較する。そして、もし上記周波数が参照周波数よりも小さな値であれば、上記機械振動構造体が充填物質によって覆われていることを示す出力信号を出力し、また、もし上記周波数が参照周波数よりも大きな値であれば、上記機械振動構造体が充填物質によって覆われていないことを示す出力信号を出力する。上記電気送信信号と上記電気受信信号との間の位相差を所定の一定値に調整する制御回路が設けられており、この一定値で、上記振動構造体が共振周波数での振動を実行する。
【０００５】
上記振動構造体としては膜がよく利用され、容器内に突出した少なくとも１つの振動棒が上記膜上に配置される。動作時には、上記振動棒がその長手軸に対して垂直方向に共鳴振動で振動させられる。振動構造体が液体内に浸った時にその振動周波数にできるだけ大きな変化が発生するように、振動棒はそれらの端部にへら形状（paddle-shapes）を有するように構成されている。
【０００６】
そのような装置が、例えば充填プロセス等によって表面に波の生じている液体が入った容器内に設置されると、波の動きのために、最初に参照周波数を超え、続いて参照周波数を下回るといったことが繰り返し生じることになる。そうなると、装置はもはや所定の充填レベルを達成する上で安定したものではなくなり、その代わりに、充填レベルが実際には基本的に何ら変化していないにもかかわらず、短期間でそのスイッチ状態が変化することになる。
【０００７】
この問題は、装置が容器内に下方から取り付けられた場合に、特に著しい。そのような場合、充填レベルが容器の床から上昇していくと、装置の状態の変化する所定の周波数変化が、振動棒が容器内に上方から延びている場合よりも、振動棒の自由端に非常に近い位置に生じる。振動棒の自由端では、従来のへら形状の共振周波数が、例えばへらの中央部分よりもずっと速く変化する。その結果、この場合における充填レベルの小さな変化が、大きな周波数変化を引き起こす。これにより、特に大きな表面波（表面の波）によって、スイッチ状態が一回又は頻繁に変化するという危険が生じる。
【０００８】
これは、装置が大工場の一部であって、充填レベル情報が工場内の他の部分の調整や制御に使用されている場合に問題である。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の目的は、表面波の生じている液体内であっても安定して機能する、容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置を提供することにある。
この目的は、本発明によれば、容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する以下の装置によって達成される。すなわち、本発明の装置は、
前記所定の充填レベルの高さに配置された機械振動構造体と、
動作時に前記振動構造体を駆動して共鳴振動で振動させる電気機械変換器と、
前記共鳴振動の共振周波数を用いて前記所定の充填レベルに到達したか否かを決定する受信機及び算出部とを備え、
前記所定の充填レベルの範囲内に浸った場合におけるその浸った深さで前記共振周波数がただゆっくりと変化するように前記振動構造体の形状が構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
更なる発展例によれば、
上記振動構造体は少なくとも１つの、膜に取り付けられた振動棒（７）を有しており、この振動棒は、動作時にその長手軸（Ｌ）に垂直に共鳴振動を行い、この振動棒の端部にへら（paddle）（８）が形成されており、
動作時に充填物質を介して移動される、長さが等しく分離されたへら部の突出した表面が、上記へら（８）の中央部で最大になり、上記へら（８）の自由端へ向かう方向に減少していく。
【００１１】
更なる発展例によれば、
上記振動構造体は少なくとも１つの、膜に取り付けられた振動棒を有しており、この振動棒は、動作時にその長手軸に垂直に共鳴振動を行い、この振動棒の端部にへら（８）が形成されており、このへらは膜から遠い側の端部領域を有し、その幅は膜から遠い方向に減少していく。
【００１２】
更なる発展例によれば、上記へらはその端部領域で上記へらの長手軸に対して２０°と５５°の間の角度に傾斜している。
更なる発展例によれば、上記へらは点で終端している。
【００１３】
一実施例によれば、履歴段（histeresis stage）が設けられており、これは、低い方の参照周波数値以下になった時に上記所定の充填レベルへ到達したものと上記装置が決定し、この状態を高い方の参照周波数値に到達又はこれを越えるまで上記装置が維持するように形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明及びその更なる利点について、図面に基づき、より詳細に説明する。以下では、４つの実施例が示されており、図において、同じ要素には同じ参照番号が付されている。
図１は、容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する本発明の装置の縦断面を示している。この装置は、上記所定の充填レベルの高さに配置される機械振動構造体を備えている。
【００１５】
この振動構造体は、実質的に円筒状のハウジング１を含んでおり、これはその前面の高さで円形の膜３によって閉ざされている。ねじ山５がハウジング１に形成されることで、所定の充填レベルの高さに配置された容器の開口（不図示）内にねじ込まれ得るようになっている。例えばハウジング１にフランジを形成する等、当業者に知られた他の固定技術も同様に使用可能である。
【００１６】
振動構造体の同様な部分である２つの振動棒７が、ハウジング１の外側の膜３上に、容器内に向けて形成されている。これらは、ハウジング１の内側の膜３上に配置された電気機械変換器９によって、長手軸に垂直な方向に振動するようになされている。本実施例における電気機械変換器９は、円盤状の圧電素子であり、膜３上に位置し、これに堅固に接続されている。この圧電素子は、膜３上に例えばにかわ付け、半田付け、或いは鑞付けされており、その動作時には、膜に対して曲げ振動を生じさせる。この交互の曲げ動作により、振動棒７がその長軸に垂直に振動させられる。これら振動棒７のそれぞれは、膜から遠い方の端部にへら８を有しており、これは振動棒７の端部の幅をより広く形成することによって得られている。
【００１７】
振動構造体は、その動作時に、電子回路１１により共鳴振動で振動するよう駆動され、また、所定の充填レベルに到達したか否かを上記共鳴振動の共振周波数から決定するための受信機及び算出部１３が設けられている。これは、例えば、圧電素子９における膜から遠い方の側に送信電極１５及び受信電極１７を配置することによって行われる。
【００１８】
電子回路１１は、送信電極１５に、機械振動構造体を振動させるための電気送信信号を与える。振動が受信電極１７で受信され、電気受信信号に変換される。受信機及び算出部１３は、上記受信信号を受信し、その周波数を参照周波数と比較する。そして、上記周波数が参照周波数よりも小さな値を有している時には、機械振動構造体が充填物質によって覆われていることを表す出力信号を出力し、また、大きな値を有している時には、機械振動構造体が充填物質によって覆われていないことを表す出力信号を出力する。電子回路１１内には、制御回路が設けられており、これは電気送信信号と電気受信信号との間の位相差を所定の一定値に調整し、この一定値で、上記振動構造体が共振周波数での振動を行うようになっている。
【００１９】
上記制御回路は、例えば、受信信号が増幅され、位相シフタを介して送信信号に帰還されるように構成されている。
本発明によれば、振動構造体の形状が、所定の充填レベルの範囲内に浸っている期間は共振周波数がただゆっくりと変化するように構成されている。これは、例えば、振動構造体における、容器内に上方から振動構造体が突出している場合に充填物質内に浸され得る部分の重心が、充填レベルの上昇時に液体中に最初に浸る振動構造体の端部よりも著しく上方に位置するように、振動構造体の形状を選択することにより可能となる。
【００２０】
図２は、その一例を、容器内に上方から突出している２つの振動フォーク形状  −すなわち音叉形状−  の共振周波数の変化ΔＦの割合をその液体内に浸った深さｈの関数として表したグラフを用いて示す図である。共振周波数の変化の割合ΔＦは、ここでは、実際の共振周波数と、振動構造体が空気中において示す、空中共振周波数と言われる共振周波数との差を意味している。第１の振動フォーク形状は、図２中の大きい方の枠内の左側に示されるように、実質的に長方形のへら領域を持つ従来のへら形状Ａを有している。
【００２１】
第２の振動フォークは、本発明に従って構成されたへら形状Ｂを有している。この形状は、同様に図２中に、その大きい方の枠内の右側に示されている。第２の振動フォークは、膜から遠い方の端部領域１９を示しており、その幅が膜から遠い方向へ減少している。好ましくは、へら８は、その長手軸の方向に２０°と５５°の間の角度αで傾斜している。この角度αは、図に示されている。このへらは、点で終端している。
【００２２】
実質的に長方形のへらを用いる従来の装置では、充填物質が膜から遠い方のへら端部に到達すると、へらの最大幅が即座に液体中で振動し、それに相当する大きな体積の液体が移動することになるが、上述したへら形状Ｂでは、浸る過程の初期に、狭いへら片だけが液体中に到達する。従って、同じ浸る深さｈでは、初期には、本発明のへら８における周波数変化の割合は非常に小さくなる。従って、図示された特性曲線Ｂは、立面図が長方形であるへらを有する従来の装置における曲線Ａよりも平坦である。
【００２３】
スイッチ点Ｓp を例えば周波数変化の割合１５％に設定したとすると、へら形状Ａを有する従来の装置は、約１３ｍｍの深さに浸った時点ですでにスイッチが入るが、へら形状Ｂを有する本発明の装置は、浸る深さが約１８ｍｍに達した後にならないとスイッチが入らない。周波数変化の割合ΔＦの曲線は、所定の充填レベルの範囲内にある時、すなわちスイッチ点Ｓp の周辺にある時、へら形状Ｂではへら形状Ａよりも著しく平坦である。これは、図中に接線で示してある。スイッチ点Ｓp に達した時における浸る深さｈも、へら形状Ａ及びＢの絵中に直接描かれている。
【００２４】
もちろん、スイッチ点Ｓp は常にへらの領域内に位置するが、へら形状Ａの場合はへら形状Ｂの場合よりも自由端の近くに位置する。
スイッチ点Ｓp は、もっと大きなもう１つの周波数変化の割合を選択することにより、へらの自由端からもっと遠くへ移動させることも可能である。しかし、これは、非常に狭い限定内においてのみ可能である。このもう１つの周波数変化は、高い測定信頼性を提供するために、できるだけ大きくなければならないが、複数の異なる液体中においてもなお達成されなければならない。
【００２５】
装置の感度、すなわち空中共振周波数と言われる或る決まった媒体における共振周波数の最大の変化は、実質的にへらの幅に依存するが長さには依存しないということが、研究によりわかっている。これは、とりわけ、幅が同じであればより長い振動棒の方がより著しく大きな質量の慣性モーメントを示すという事実に関係している。従って、へらが少なくとも中央領域において十分な幅を示している限り、装置の応答感度における大きすぎるペナルティをもたらすことなしに、へら８の端部領域をもっと狭くすることが可能である。その結果、非常に低濃度を有する液体の所定の充填レベルでさえ、問題なく検知可能である。
【００２６】
へらＢに関して図２中に示されたような平坦な曲線の場合、例えば容器中の表面波によって生じ得るような充填レベルの小さな変化が、共振周波数に大きな影響を与えることなくそのまま残る。それに応じて、参照周波数を越えたり下回ったりしてスイッチ過程の引き金になるようなことは、ほとんど起こらなくなる。更に、それに関係する、共振周波数の小さな変化は、高さの低い履歴段（hysteresis stage of small height）を組み込むことによって完全になくなる。
【００２７】
この履歴段は、例えば、低い方の参照周波数値を超えた時に所定の充填レベルに到達したものと装置が決定し、高い方の参照周波数値に達するか又は超えるまでこの状態を保持するように、設計されることが可能である。上述した、装置の平坦な曲線のために、高い方の周波数値と低い方の周波数値は、互いに比較的近くに位置することが可能である。このようにすることで、表面波によってちょこちょことスイッチするのを、所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置の応答感度や信頼性に影響を与えることなく、防止することが可能になる。
【００２８】
上述のへら形状の更なる利点は、このへら形状は、振動棒が液体中でその長手軸に垂直に振動する際、長方形のへら領域を有する従来のへらを用いた場合よりも、もっと小さな質量慣性モーメントを示し、かつ、へらで移動する液体がもっと少量になるということにある。このようにすることで、装置が状態の変化を認識するのに必要とされる反応時間が一層小さくなる、ということが達成される。この「状態の変化」とは、ここでは、所定の充填レベルを超えること、又は下回ることを意味している。
【００２９】
以上では、装置が容器の上方に配置され、へらが容器内に突出している場合を仮定している。このような構成は、例えば所定の充填レベルが最大充填レベルである場合に提供される。そのようにする代わりに、もちろん、容器の下方に装置を配置し、振動棒を容器内に上方へ向けて突出させるようにすることも可能である。
【００３０】
図３は、容器内に下方から突出する振動棒の場合における浸る深さへの、へら形状Ａ及びＢを有する装置における周波数変化の割合ΔＦの依存性を示している。液体が上昇すると、充填レベルは膜３から振動棒７へと上昇し、さらにへら８まで上昇する。
【００３１】
ここでまた、周波数変化ΔＦが１５％のところにスイッチ点Ｓp を使用するものとすると、形状Ａにおけるスイッチ点Ｓp はへらの自由端に非常に近い位置にある。図示されている接線は、周波数変化の割合ΔＦがここでは非常に急に降下していることを示している。これは、上述したように、表面波が存在する時に非常に問題となる。これに対し、本発明のへら形状Ｂの場合は、スイッチ点がへらの自由端から遥かに遠い位置にあり、その接線は非常に平坦である。
【００３２】
図２において履歴段及び反応時間について述べたことは、同様に図３の場合にも適用される。
へら形状Ｂを使用する装置は、表面波の存在の下でも、より安定して動作し、より高い信頼性で動作する。その特別な利点は、装置が容器内に上方から取り付けられるのか下方から取り付けられるのかに依存しないということである。
【００３３】
浸る深さに対する周波数変化の割合ΔＦのゆっくりとした変化は、充填物質中を移動する、同じ長さの分離したへら領域の突出した表面が、へらの中間領域で最大であり、へらの自由端へ向かう方向に減少するようにすることで、実現可能である。従って、へらは、その自由端において点で終端しているが好ましい。
【００３４】
図４及び図５は、可能なへら形状の更なる例を示している。図４に表されたへらは、点を示している。連続線で示された形状の場合、上記の点領域での横方向の線がへらの中央へ向けて僅かに湾曲している。点線で示された例の場合、横方向の線がへらの中央から外側へ向けて僅かに湾曲している。しかし、この両者において、顕著な“点”が存在し、へらの幅が自由端へ向けて移動するに従って減少している。角が丸みを帯びた基本的に長方形であるへら形状は、上述の利点を達成するのには適していない。従って、へらがその全体の長さに渡って僅かに傾斜しているのも、同様に不適切である。
【００３５】
図５の実施例では、へら片の横方向の線は、へらの中央に向けて内側へ僅かに湾曲しているが、このへらは点で終端していない。その代わりに、へらの最大幅と比べて、狭い、頭の切られた末端部を有している。このように頭の切られた末端部であっても、その幅の狭さに基づき、点として機能する。
【００３６】
本発明の図示されたへら形状の更なる利点は、粘性の高い、濃度の濃い、或いはねばねばした液体でさえ、長方形断面のへらを有する場合よりも一層容易かつ素早く、へらの点から流れるように動くという点にある。へらにまとわりつく液体は、振動棒７の質量慣性モーメントを増大させ、その結果、共振周波数の減少へと至らせる。これは、充填レベルが実際にはすでに所定の充填レベルを下回っているにもかかわらず、液体に依存して、所定の充填レベルに到達したこと、又は越えたことを装置が示すという結果になる。振動フォーク７から液体を素早く排除するということは、振動構造体が充填物質中にもはや浸っていない時にこのことを装置がもっと即座に認識するということを意味する。
【００３７】
更なる利点は、上述のへら形状が、長方形断面を有する従来のへらよりもっと小さい表面積を有している、ということにある。その結果、例えば乾性の液体が保持され得る表面が小さい。そのような堆積物は、共振周波数を永久に変化させ、装置の応答感度に否定的な影響を与える。
【００３８】
しかし、本発明は、２つの振動棒を有する機械振動システムに限定されるものではなく、ただ１つの振動棒のみを持つ、或いは振動棒を持たないリミットスイッチにも使用可能である。振動構造体の形状が、浸る過程の初期においてその浸る深さで共振周波数が単にゆっくりと変化するように設計されることが基本である。そのような平坦な特性曲線は、所定の充填レベルに達した、又は越えた時に液体中に浸る平坦要素を有する振動構造体が、その表面重心及びそれに関連する質量重心が上記平坦要素の膜側に近い半分内又は容器壁側に近い半分内に位置する時に、得られる。これは、へら付きの振動棒において、動作時に充填物質を介して移動する、長さが等しく分離したへら領域の突出した表面が、へらの中央部分で最大であり、へらの自由端へ向かう方向に減少する場合である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置の縦断面を示す図である。
【図２】容器内に上方から取り付けられた２つの異なるへら形状を比較するために、振動構造体が振動する周波数の変化の割合をその液体内に浸った深さの関数として示す図である。
【図３】容器内に下方から取り付けられた２つの異なるへら形状を比較するために、振動構造体が振動する周波数の変化の割合をその液体内に浸した深さの関数として示す図である。
【図４】葉っぱ形状のへらを有する振動棒を示す図である。
【図５】狭い、先の切断された末端を有する振動棒を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004526251.tif 000003
2004526251.tif 000004
2004526251.tif 000005
2004526251.tif 000006
2004526251.tif 000007
2004526251.tif 000008
2004526251.tif 000009
2004526251.tif 000010
2004526251.tif 000011
2004526251.tif 000012
2004526251.tif 000013
2004526251.tif 000014
2004526251.tif 000015
2004526251.tif 000016
2004526251.tif 000017
2004526251.tif 000018
2004526251.tif 000019
2004526251.tif 000020
2004526251.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月10日(2003.3.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の所定の充填レベルを決定及び／又は監視する装置において、
前記所定の充填レベルの高さに配置された機械振動構造体と、
動作時に前記振動構造体を駆動して共鳴振動で振動させる電気機械変換器（９）と、
前記共鳴振動の共振周波数を用いて前記所定の充填レベルに到達したか否かを決定する受信機及び算出部（１３）とを備え、
前記振動構造体は少なくとも１つの、膜に取り付けられた振動棒（７）を有し、
該振動棒は、動作時にその長手軸（Ｌ）に垂直に共鳴振動を行い、
該振動棒の端部にへら（８）が形成されており、
該へらの幅は、該へら（８）の中央部で最大であり、該へら（８）の自由端へ向かう方向に減少しており、
該へらは、その端部領域（１９）で前記へら（８）の前記長手軸（Ｌ）に対して２０°と５５°の間の角度αに傾斜していることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記へら（８）は点で終端していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
履歴段が設けられており、該履歴段は、低い方の参照周波数値以下になった時に前記所定の充填レベルへ到達したものと前記装置が決定し、この状態を高い方の参照周波数値に到達又はこれを越えるまで前記装置が維持するように形成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【国際調査報告】
2004526251.tif 000022
2004526251.tif 000023
2004526251.tif 000024
2004526251.tif 000025
2004526251.tif 000026
2004526251.tif 000027