HU228414B1 - Piezoelectrically excited oscillating element - Google Patents

Description

PIEZOELEKTROMOSÁN gerjeszthető rezoöelem

A találmány tárgya piezoelektromosán gerjeszthető rezgőelem. Ilyen rezgőelemek különösen olyan töitésíszint-érzékelöknéí kerülnek alkalmazásra, amelyek például folyós vagy íluidizálható közegek, főként folyadékok tartályaiba vannak beépítve. A rezgőelemek a közeg mindenkon szintjétől függően, azzal vagy érintkezésbe kerülnek, vagy nem érintkeznek. A rezgőelemek rezgésfrekvendáját a folyadékkal történő érintkezés befolyásolja.

Az ilyen töltésiszint-érzékelöknél alkalmazott rezgőelemek legkülönbözőbb változatai ismeretesek. Ezek általában egy rezgőképes membránnal rendelkeznek, amely az érzékelendő folyadékkal való érintkezés céljából előirányzott rezgötesteket hordozza, valamint piezoelektromos elemek kőtegét, amelynek villamosán gerjesztett kitágulása és összehúzódása egy összehúzó csavaron keresztül átadódik a membránra, és a rezgőtesteket rezgésbe hozza.

Ilyen rezgőelemre mutat be példát az EP 0 810 423 A2 számú szabadalmi leírás. Ennél az ismert rezgöelemnél az összehúzó csavar rá van hegesztve a rezgőmembránra, és átnyúlik egy, a membrántól bizonyos távolságra mereven elrendezett fenéklapon, A fenéklapon egy köteg gyűrő alakú plezoelem van elrendezve, mégpedig szigetelőtárcsák által elválasztva. Ezek az összehúzó csavart koncentrikusan veszik körül. A köteg felső lezárását egy merev nyomótárcsa képezi, amelyre egy csavarelem fejt ki nyomást, amely az összehúzó csavar felső végére van rácsavarozva. A rezgés gerjesztését és annak érzékelése ugyanazokkal a piezoelemekkei történik, és á jelvézetés a piezoeiemek kötegéhez két villamos vezetéken keresztül van biztosítva.

Egy második Ismert rezgőelem a Wö 92/21945 számú leírásban van bemutatva. Ennél a rezgőelemnél az EP ö 31 ü 423 A2 számú szabadalmi leírásból ismert fenéklapot egy nyomótárcsa helyettesíti, amely a piezoeiemek kötegének alsó lezárását képezi, és amely egy, a membrán peremén gyűrő alakban kialakított vállra fejt ki nyomást. A rezgés gerjesztését és annak érzékelését itt különválasztott piezoeiemek végzik, és legalább három villamos vezeték kerül alkalmazásra.

97337-5226 WE/Tz

- 2 Egy további rezgőetem példáját Ismerteti sz EF 0 875 742 A1 számú szabadalmi leírás. Itt is egy nyomógyűrü képezi a piezöeíem-köteg alsó, membrán felöli lezárását. Egy váll helyett azonban ez a nyomógyürű a membránon kialakított nyomócsapokra fejti ki nyomását,

A töltési szint érzékelésére alkalmazott rezgöelemek szerkezeti kialakításánál az egyik problémát az jelenti, hogy egy rendkívül merev kapcsolódás szükséges a plezoelemek és a membrán, illetve arra ráformázott rezgötestek között azért, hogy a rezgőtestek mozgásának az érzékelendő közeg általi csillapítása megbízhatóan viszszahasson a plezoelemekre, és ott villamosán érzékelhető legyen, A jelenleg ismert rezgőelemek esetén ez a követelmény jói teljesíthető, ha a rezgőtestek - amelyek szokásosan villafogakként vannak kialakítva - mintegy 100 mm hosszúságúak. A foghossznak például 40 mm-re való lecsökkentése esetén ez a követelmény már nem kerül megfelelően kielégítésre. Ezen probléma okának az tekinthető, hogy a fogak megrövidítése a rezgőetem rezonanciafrekvenoiájának a növekedéséhez vezet Az itt példaként emiitett kb, 100 mm-ről kb. 40 mm-re történő megrövidítés esetén a rezgésfrekvencia mintegy megháromszorozódása adódik. Ez egy jelentős szétkapcsolődásf eredményez a rezgést gerjesztő (meghajtó) piezoelektromos elemek és a viliafogak között, mégpedig azzal a következménnyel, hogy még teljesen blokkolt viliafogak esetén is a meghajtás csökkentett mértékben mechanikusan rezgöképes marad. Egy kellően merev kapcsolódás a meghajtás és a viliafogak között azonban kényszerű előfeltétel a villa rezonaneiafrekvendájánsk villamos méréséhez a meghajtó egységben levehető, a villa rezgése által a piezoelektromos elemekben indukált villamos jelek alapján, amelyek itt, mint detektált jelek kerülnek megjelölésre, Mindaddig, amíg a rezgőtestek levegővel vannak körülvéve, és így csak mérsékelten vannak csillapítva, azok rezgő mozgása még kellő hőséggel követi a piezoelektromos elemek általi gegesztést, Mihelyt azonban ezek a rezgőtestek egy, a tartályban lévő érzékelendő anyaggal kerülnek érintkezésbe, és ezáltal rezgésük csillapítása megnő, jelentős eltérések tapasztalhatók a detektált jel, illetve a rezgötestek és a membrán által alkotott rendszer rezonanciája között, és ekkor nemkívánatos felharmonikus rezgések lépnek fel. Amennyiben a tartályban tevő anyag meghalad egy

- 3 bizonyos viszkozitás! értéket, akkor végül túl erősen elválik a rezgőtest viselkedése és a piezoeiemek általi gerjesztéstől és így a szintérzékelő működőképességének teljes elvesztése következhet be, A piezoelektromosán gerjesztett (meghajtott) rezgöelemek koncepciói így nem alkalmasak egy jelentősebb miniatürizálásra,

A hagyományos rezgőelemeknéi további problémát jelent a szükséges alkatrészek nagy száma. Ez nemcsak az előállítási költségekre hat kedvezőtlenül, hanem befolyásolja a rezgőelem megbízhatóságát Is. Különösen a rezgöelem magas alkalmazási hőmérsékletei esetén egyes alkatrészei jelentés mechanikai igénybevételeknek vannak kitéve, ami az alkatrészek idő előtti elöregedését okozza.

A hagyományos rezgőelemek további problémája, hegy a gyártásból adódó mechanika! tűrések következtében a rezgőelem viiiamos/mechanikus hatásfoka függ a piezoelem-kötegnek az összehúzó csavarhoz képesti elfordulási helyzetétől. Ahhoz, hogy egy adott villamos gerjesztési amplitúdónál a mindenkori szerkezeti kialakítás által meghatározott rezgési amplitúdót el lehessen érni, szükséges az összeszereléskor a piezoelem-köfeget az összehúzó csavar körül mindaddig lépésenként elfordítani, majd mindig próbaként meghúzni, amíg a legkedvezőbb pozíciót meg nem találják, amelyben azután a piezoelem-köteg arretálva marad,

A találmány által megoldandó feladat egy olyan piezoelektromosán gerjeszthető rezgöelem létrehozása, amely a hagyományos rezgoeiemeknéi jobban alkalmas a miniatürizálásra. A találmány szerinti rezgöelem további előnyeihez tartozik az alkatrészek csekély száma, és ezzel összefüggésben a gyártási költségek alacsonyabb szintje,

A kitűzött feladatot egy olyan rezgoelemnéi, amely egy rezgőképes membránt, egy kőteg piezoelektromos elemből álló meghajtó egységet, valamint egy, a membránnal összekötött, és a piezoelektromos elemeknek a membránra való rászoritására szolgáló összehúzó csavart tartalmaz, ahol emellett az összehúzó csavar és a membrán egy darabból álló alkatrészként van kialakítva, és a membrán erőátviteli interfészt képez a villafogak és meghajtó egység között, a találmány érteimében azáltal oldjuk meg, hogy az összehúzó csavar és a membrán egy darabból álló forgácsolt alkatrészként van kialakítva. Ily módon egy lényegesen megbízhatóbb, az

között létesíteni.

emek és a

A találmány szerint a kitűzött feladat egy másik lehetséges megoldásánál amely előnyösen kombinálható az előbb Ismertetett megoldással a köteg egy nyomógyűrö és egy. a membránt érintő támasztőgyűrű között van elrendezve, és legalább két piezoelektromos elemet tartalmaz, aböl a nyomógyűrü és a támasztőgyűrű egy első meghajtó potenciállal kapcsolható össze, míg egy, a piezoelektromos elemek között elrendezett elektród egy második meghajtó potenciállal kapcsolható őszsze. Adott esetben a két piezoeiekf romos elemre történő korlátozás egyrészt a rezgőelem beépítési magasságának csökkentését eredményezi, ez pedig a rezgöteslekkel való kapcsolódásának további merevltését, másrészt, mivel az első meghajtó potenciált a kótegnek csak egy helyére kell csatlakoztatni, így elhagyható a hőmérséklet-érzékeny vezetőlap a rezgőelemről aminek következtében az alkalmazás akár egészen 2ÖÖ 'C-ig lehetséges.

A nyomögyűrű és a támasztőgyűrű közötti villamosán vezető kapcsolat egyszerű módon létrehozható az összehúzó csavaron keresztül. A rezgőelem egyszerűsített cserélése biztosítható azáltal, hogy a piezoelektromos elemek, a nyomögyűrű és a támasztógyűrű egy őket körülvevő házrész révén egy szerelési egységgé vannak összefogva, amely a membránról és az összehúzó csavarról levehetoen van elrendezve.

A találmány további részleteit és előnyeit kiviteli példa kapcsán, a csatolt rajzra való hivatkozással ismertetjük, ahol az 1 ábra egy találmány szerinti rezgőetemet szemléltet tengelyirányú metszetben.

A rezgőelem egy fém anyagú 3 membránt tartalmaz, amely egy lényegében fazék alakú, fém anyagú 14 beépítési ház alját képezi. A 14 beépítési ház egy tartály falába történő beszerelés céljából egy 16 külső menettel van ellátva. Két, a 3 membrán alsó oldalára ráformázoft és 2 víllafogak alakjában kialakított rezgőtest áll ki a tartály belseje felé. Á 3 membrán felső oldaláról egy 4 összehúzó csavar áll ki a 14 beépítési ház belseje felé. Egy gerjesztő-meghajtó szerkezeti egység van a 4 összehúzó csavarra rádugva, és egy,, a 4 összehúzó csavarra 'felcsavarozott 13 anya révén rá van szorítva a 3 membránra.

A gerjesztő-meghajtó szerelési egység több gyűrő alakú elem Rétegéből áll, nevezetesen egy 5 támasztőgyürüből, amely közvetlenül érintkezésben van a 3 membránnal, egy első 7 piezoelembőí, egy 8 elektródból egy felső 8 plezoelemből és egy 12 nyomógyürüből, mely utóbbi felveszi a 13 anya nyomóerejét, és egyenletesen elosztja a felső 6 piezoelem teljes felületére. A 12 nyomógyürö és az 5 támasztógyűrö fémből van, és egyidejűleg a két 8, 7 piezoelem 8 elektródhoz komplementer elektródjait alkotják.

A 8, 7 plezoelemek belső oldalfelületei egy 10 szigetelőhüvely révén a 4 összehúzó csavarral szemben villamosán szigetelve vannak. Sugárirányban kifelé ezek egy 11 hajtásház áltat vannak körülvéve, amely átfogja az 5 támasziógyűrű és a 12 nyomógyürö kiugrásait, és így ezeket az elemeket egy 5, 8, 7, 8, 12 szerelési egységgé fogja össze. Ez a szerelési egység a nagyobb számú piezoelektromos elemet tartalmazó hagyományos meghajtó egységekkel szemben igen lapos felépítést biztosít, és csak kevés alkatrészből áll. A merevséget csökkentő felöletáfmenetek száma ezáltal csekély.

Mivel a meghajtás ereje az 5 támasztőgyörün keresztül közvetlenül kapcsolódik a 3 membránba, csak egy Igen rövid távolság adódik azon helyek között, amelyekben az 5 támasztógyőrünek ráhatása van a 3 membránra a támaszfögyürű 17 homlokoldalának sugárirányban véve külső tartományában, és a 4 összehúzó csavar tartományában. Az 5 támasztógyőrünek 4 összehúzó csavarral való koncentrikus érintkezése révén a membránnal egy merev kapcsolat adódik.

A 4 összehúzó csavar a 3 membránra nincs ráhegesztve, hanem a 3 membránnal együtt egy darabból van forgácsoló megmunkálással, mint például esztergálással kialakítva. Ezáltal a 4 összehúzó csavarról a 3 membránra való átmenet keresztmetszete azonos szilárdság mellett kisebbre alakítható ki, mint ahogy az egy, a két elem közötti hegesztéses kapcsolatnál lehetséges, ezenkívül kiküszöbölhetők a hegesztésnél bekövetkező anyagkeményeöéssel járó szerkezetváltozások a 3 membránon a 4 összehúzó csavar közeiében, Ez nagyon fontos, mert magának a 3 * ♦

membránnak a feikeményedése nemkívánatos. A membrán ugyanis az egyetlen hajlítható rész az egész rezgöelemben, ahol minden további résznek a membránhoz képest nagy hajlítási merevséggel kell rendelkeznie. A membrán képezi az erőátviteli interfészt (illesztési helyet) a 2 villafogak és a meghajtó egység között. Bármely más alkatrész meghajlása a 2 villafogak és a meghajtó egység közötti széfkapcsolódást segíti elő, és ezért nemkívánatos.

A 8, 7 piezoelektromos elemeket egyidejűleg használjuk mind a meghajtásra (gerjesztésre), mind pedig a rezgések érzékelésére, miként az az EP 0 810 423 számú szabadalmi leírásban is szerepel. Ilyen módon nemcsak a piezoelemek száma csökken, hanem a szükséges érintkeztető elektródok száma is,

Egy első meghajtó potenciált a 8, 7 piezoeiemekhez egy első 9 meghajtó vezetéken keresztül vezetünk be, amely a piezoelemek által közrezárt 8 elektróddal van összekötve. Mivel csak egyetlen 8 csatlakozó elektródra van szükség, ezen a 9 meghajtó elektród közvetlenül rögzítve lehet. Speciális érintkeztető vezetőlapokra nincs szükség, így a rezgőelem igen magas alkalmazási hőmérsékletekre is alkalmas, akár 200 ’C-ig is.

A második meghajtó potenciál a 8, 7 piezoelektromos elemek külső oldalán kerül bevezetésre az 5 támasztógyűrün, illetve a 12 nyomógyürűn keresztül. A 12 nyomógyűrű a 13 anyán és a 4 összehúzó csavaron keresztül villamosán vezető módon van a 3 membránnal összekapcsolva, amely az § támasztógyűrüvel is érintkezésben van. Á membrán viszont a maga részéről egy 18 hegesztéses kapcsolat révén villamosán vezető módon össze van kötve a 14 beépítési házzal amelyhez egy második 15 meghajtó vezeték van csatlakoztatva. Egy adott esetben szükséges potenciálszétválasztás a tartály vonatkozásában, amelybe a 14 beépítési ház be van csavarozva, egy nem ábrázolt kiértékelő elektronikában történhet egy DC-átalakítö (egyenáramú szintlileszíö) segítségévei, és nincs hatása a rezgési tulajdonságokra,

Az első 9 meghajtó vezeték legalább azon a hosszon, amellyel kiterjed a 14 beépítési házon keresztül, árnyékolatlan lehet, mivel a második meghajtó potenciállal ellátott 14 beépítési ház már egy koaxiális árnyékolást jelent az első 9 meghajtó vezeték számára. Ez különösen az érzékelőelemek olyan megvalósítási formájában

X 0 0 »

0 0 0 * * 0 *

0 * * * ♦ * ♦ _χ 0 » 00 « Λ 0

- 7 .

történő megoldásnál előnyös, amelyeknél a beépítési háznak a tartály falában való rögzítési helye., jelen esetben a 16 külső menet, és a 3 membrán egy, a tartályba bemerülő, jelentős hosszúságú fém anyagú hosszabbítóesö által külön van választva. Mivel ez a cső már eleve, mint elektromágneses árnyékolás szolgál, elmaradhatnak a bizonyos esetekben akár több méter hosszú, magas bömérsékietáííő, költséges koaxiális összekötő vezetékek,

A meghajtó egység alkatrészeinek kis száma következtében ez a megoldás különösen alkalmas nagy hőmérsékleten, például 200 X- on történő üzemelésre. Mivel a második 15 meghajtó vezeték a tartályfal tartományában, illetve a tartályon kívül érintkezik, nincs szükség semmiféle különleges védőintézkedésre, hogy biztosítsuk az összeköttetés magas hőmérsékletáilóságát. Egyedül az első 9 meghajtó vezeték van a 8 elektróddal a 3 membrán környezetében levő nagyhőmérsékletű tartományban énntkeztetve, Ezt az érintkezést előnyösen ponthegesztéssel vagy krimpeíéssel hozzuk létre, mert a forrasztáson kapcsolat az ilyen alkalmazási hőmérsékletek mellett már nem alkalmazható.

A 3 membránnak és a 4 összehúzó csavarnak egy darabból eszlergálással történő előállítása révén a 4 összehúzó csavar ferde helyzete Itt ugyanúgy ki van küszöbölve, mint az összehúzó csavarnak a 3 membrán középpontján kívüli helyzete. Ugyancsak ki vannak zárva a határozatlan kiterjedésű változások is a membrán acélanyagának míkroszerkezetéhen, mivel elmarad a hegesztési folyamat a rezgőképes membranfelületen. Ez, és a meghajtó egység igen lapos kialakítása, valamint számos tűrésigényes alkatrész elmaradása mind hozzájárul ahhoz, hogy a találmány szerinti rezgőelem hatásfoka független a meghajtó egységnek az összehúzó csavarhoz képesti elfordulási helyzetétől. A meghajtó egység elfordulási helyzetének eddig szükséges beállítása így teljesen elmaradhat a rezgőelem készítésekor. A meghajtó egység cseréje gyorsan, minden nehézség nélkül elvégezhető.

Claims (7)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Rezgőelem egy rezgőképes membránnal (3), egy piezoelektromos elemekből (6, 7) álló kötegel tartalmazó meghajtó egységgel és egy, a membránnal összekötött összehúzó csavarral (4) a piezoelektromos elemeknek (6, 7) a membránra (3) való rászorítására, ahol az összehúzó csavar (4) és a membrán (3) egy darabból álló alkatrészként van kialakítva, és a membrán (3) erőátviteli interfészt képez villafogak (2) és a meghajtó egység között, azzal jellemezve, hogy az összehúzó csavar (4) és a membrán (3) egy darabból álló forgácsolt alkatrészként van kialakítva.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti rezgőeiem, azzal jellemezve, hogy a koteg egy nyomógyűrű (12) és egy, a membránt (3) érintő támasztógyűrö (5) között van elrendezve, és piezoelektromos elemeket (6, 7) tartalmaz, ahol a nyomógyürű (12) és a támasztógyörö (5) egy első meghajtó potenciállal kapcsolható össze, míg egy, a piezoelektromos elemek (6, 7) között elrendezett elektróda (^ egy második meghajtó potenciállal kapcsolható össze,
3. 3. A 2. igénypont szerinti rezgöeíem, azzal jellemezve, hogy a támasztógyűrö (5) és a nyomógyürű (12) az összehúzó csavaron (4) keresztül villamosán vezető módon van összekötve,
4. 4. A 2. vagy 3. igénypont szerinti rezgőeiem, azzal jellemezve, hogy a piezoelektromos elemek (6, 7), a nyomógyürű (12) és a támasztógyörö (5) egy őket körülvevő házrész (11) révén egy szerelési egységgé vannak összefogva, amely a membránról (3) és az összehúzó csavarról (4) levehetöen van elrendezve.
5. 5. A 2-4, igénypontok bármelyike szerinti rezgőeiem, azzal jellemezve, hogy a támasztógyörö (5) a membránt (3) a membrán (3) felé eső homlokoldalának (17) sugárirányban külső tartományában érinti.
6. 6. A 2-5, Igénypontok bármelyike szerinti rezgőelem, azzal jellemezve, hogy a nyomógyürű (12) és a támasztógyűrö (5) a rezgőelem egy beépítési házával (14) villamosán vezető módon van összekötve,
7. 7. Az l-δ. igénypontok bármelyike szerinti rezgőeiem, azzal jellemezve, hogy a villafogak (2) 20-70 mm hosszúságúak.

   fi ** «4*»« »♦

   - 9 8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti rezgőetem, ezzel Jellemezve, hogy az összehúzó csavar (4) és a membrán (3) egy darabból álló esztergáit alkatrészként van kialakítva.