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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
tatsächlichen Dichte von Flüssigkeiten auf Basis
der Periodendauer eines mit einem Präparat gefüllten
Biegeschwingers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei
einem derartigen, an sich schon lange bekannten Biegeschwinger wird
die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten und Gasen auf
eine elektronische Messung der Schwingungsdauer des mit der Flüssigkeit gefüllten
Biegeschwingers zurückgeführt und auf Basis derselben
lässt sich die Dichte der flüssigen Probe errechnen.
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Zu
diesem Zweck wird die Probe in ein U-förmig gebogenes,
hohles Rohr, das den Biegeschwinger bildet, eingefüllt,
welches bzw. welcher dann elektronisch zu einer ungedämpften
Schwingung angeregt wird. Die Eigenfrequenz dieses Biegeschwingers
ist abhängig von der Masse der Probe.
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Die
beiden Schenkel des U-förmigen Schwingerrohres bilden die
Federelemente des Biegeschwingers. Die Schwingungsrichtung steht
normal auf der Ebene zwischen dessen beiden Schenkeln.
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Die
Eigenfrequenz des Biegeschwingers wird nur von jenem Teil der flüssigen
Probe beeinflusst, welcher an der Schwingung tatsächlich
teilnimmt. Dieses an der Schwingung teilnehmende Flüssigkeitsvolumen ist
beispielsweise durch die ruhenden Schwingknoten an den Stellen der
Einspannung des Biegeschwingers in die Eigenfrequenz-Anregungseinrichtung
begrenzt. Ist der Schwinger mindestens bis zu den genannten Einspannstellen
mit der Flüssig-Probe gefüllt, nimmt immer das
selbe, genau definierte Volumen an der Schwingung teil und somit
ist dasselbe für einen bestimmten Biegeschwinger konstant
und die Masse der Probe kann daher direkt proportional zu ihrer
Dichte angenommen werden bzw. umgekehrt.
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Eine Überfüllung
des Biegeschwingers über die Einspannstellen bzw. Anregungs-Knotenstellen
hinaus ist für die Messung belanglos. Aus diesem Grund
können mit dem Biegeschwinger auch die Dichten von flüssigen
Medien gemessen werden, die denselben durchströmen, es
kann also eine kontinuierliche Messung erfolgen. Diese Technik der
aktuellen Direkt-Dichtemessung von den Biegeschwinger durchströmenden
flüssigen Medien, finden in weiten Gebieten der Getränke-,
Mineralöl- und Chemie-Industrie routinemäßig
Anwendung, wobei der wesentliche Vorteil gegeben ist, die Messung
der Dichte in strömenden flüssigen Medien vollautomatisiert
laufend durchzuführen.
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Neben
der Temperatur gehen auch die Zähigkeit bzw. Viskosität
der Probe und unangenehmerweise auch Inhomogenitäten, also
z. B. Agglomerate, Luftbläschen od. dgl., in die Dichte-Messung
ein und verfälschen, wenn sie präsent sind, das
Ergebnis der Messung.
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Bereits
in der
AT 400767 B bzw.
EP 0568521 A1 ist
die Fehlerkorrektur solcher Messungen aufgrund der Viskosität
der Proben behandelt worden. Bei der dort beschriebenen Ausführungsform
wurde mittels Erregerverstärkers an zwei verschiedenen
Punkten des Biegeschwingers eine Grund- und Obertonschwingung desselben
angeregt, wobei der Einfluss der Proben-Viskosität auf
den letztlich gemessenen Dichtewert kompensiert wird, wie dort im
Einzelnen erläutert wird.
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Diese
Verfahren zur Viskositäts-Korrektur findet auch in den
von der Anmelderin aktuell ausgelieferten Geräten der Anmelderin
Verwendung, wobei die Anregung der Grund- und der Obertonschwingung
in den real eingesetzten Glasbiegeschwingern etwas unterschiedlich
zu dem in
AT 400767 B beschriebenen
Verfahren erfolgt. Diese etwas abgeänderte Art der Anregung
stellt jedoch durch den laufenden Vertrieb der Biegeschwinger-Geräte
zur Messung der Dichte von Flüssigkeitsproben bestehenden
Stand der Technik dar.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Problematik
des Einflusses von Proben-Inhomogenitäten, wie insbesondere
Luftbläschen, auf die Dichte-Messung und mit der Eliminierung
von deren Einfluss auf die real ermittelten Dichtewerte und im Speziellen
dient sie insbesondere dazu, eine durch Inhomogenitäten
in der flüssigen Probe verursachte Verfälschung
von Dichte-Messwerten sicher und rasch zu erkennen.
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Es
ist also schon ausgeführt worden, dass besonders Gasbläschen
in der Probe das Messergebnis im Regelfall verfälschen
und daher ist der Füllzustand des Biegeschwingers z. B.
durch ein Sichtfenster laufend optisch zu kontrollieren, was einen
erhöhten Aufwand erfordert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Genauigkeit der Dichtemessung
und insbesondere die Richtigkeit des Messergebnisses zu verbessern,
wobei der Vorteil in der nicht-optischen, automatischen Erkennung
von Probe-Inhomogenitäten, wie insbesondere von Gas- bzw.
Luftbläschen und in dem automatischen Erkennen von Fehlmessungen
liegt.
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Die
Erfindung baut auf dem bestehenden Stand der Technik auf dem Gebiet
der Dichtebestimmung mittels Biegeschwingern und der hiebei vorzunehmenden
Fehlerkorrekturen auf. Derselbe umfasst im Wesentlichen den Biegeschwinger
selbst, weiters die Anregung von zwei unterschiedlichen Eigenschwingungen
des mit einer Flüssigkeit gefüllten Biegeschwingers,
insbesondere von Grund- und zumindest einer Obertonschwingung, auf
an sich beliebige Art und die Ermittlung der Messergebnisse, nämlich
der Periodendauer der beiden Schwingungen, also z. B. der Grund-
und der Oberton-Schwingung, sowie der jeweils zugehörigen Werte
der Schwingungsdämpfung zur Ermittlung der Dichte der Flüssigkeitsprobe,
wobei die Temperatur- und die Viskositäts-Kompensation
bekannter Stand der Technik sind.
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Bei
der Durchführung des neuen Verfahrens die relative Differenz
der bei einer ersten, also der "niederfrequenten" Schwingung, z.
B. der Grund-Eigenschwingung, des flüssigkeits-gefüllten
Biegeschwingers und einer zweiten höherfrequenten Eigenschwingung,
z. B. einer Obertonschwingung desselben bzw. die Differenz der Dämpfung
bei den beiden Schwingungen zur Erkennung gültiger Messwerte
benutzt, und zwar kann dies mit oder ohne Kompensation der Viskosität
erfolgen.
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Gegenstand
der Erfindung ist somit ein neues Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen
Dichte von fluiden Medien gemäß dem schon eingangs
erwähnten Oberbegriff des Anspruchs 1, welches die im Kennzeichen
dieses Anspruchs genannten Merkmale aufweist.
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An
sich kann man bereits aus der Dichtedifferenz bzw. relativen Dichtedifferenz
allein oder aus der durch die Quadratwurzel der Dichte √ρ)
(rho) geteilten Dämpfungsdifferenz zutreffende, also "gültige"
und "ungültige" Dichte-Werte erkennen. Besonders gut funktioniert
dies allerdings über die in der 3 dargestellte funktionelle
Abhängigkeit dieser beiden Messgrößen
voneinander.
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Den
genauen analytische Zusammenhang bzw. die Parameter zur Berechnung
brauchen hier nicht näher angeführt zu werden,
das neue Verfahren gemäß der Erfindung bezieht
sich allgemein auf die Erkennung bzw. Ermittlung "gültiger"
und insbesondere "ungültiger" Messwerte, deren Nicht-Gültigkeit
durch Inhomogenitäten, also insbesondere durch Bläschen,
in der Flüssigkeit aus den ermittelten Messwerten am Biegeschwinger
beziehen und z. B. prozentuelle Grenzen angeben, innerhalb welcher
ein mittels des neuen Verfahrens ermittelter und analysierter Messwert
noch akzeptabel ist.
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Zum
Stand der Technik auf dem Gebiet des Erkennens von Bläschen
in Flüssigkeitsproben ist zu bemerken, dass eine Art der
Feststellung eines durch derartige Bläschen hervorgerufenen
Messfehlers auf Grund der Feststellung eines physikalischen Messwertes,
beispielsweise aus der
US
7231805 B2 bekannt ist. Gemäß der dortigen
Offenbarung wird der Druck nahe der Düse eines Dispensers
gemessen und mittels geeigneter Schaltung sollen abweichende Ergebnisse
der Druckmessungen als durch Blasen bzw. Bläschen bedingte
Störungen erkannt werden.
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Der Öffentlichkeit
bekannt geworden ist weiters ein auf optischer Basis arbeitendes
automatisches Dichte-Messgerät mit Erkennung von durch
Bläschen in der Flüssigkeit hervorgerufenen Verfälschung
der ermittelten Dichtewerte im Rahmen einer technischen Ausstellung.
Bei diesem Gerät erfolgt die Erkennung von Blasen in einer
flüssigen Probe mittels Kamera anstelle des bisher üblichen
Sichtfensters, mittels dessen der Füllzustand des Biegeschwingers
geprüft wird.
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Dem
Anspruch 2 ist zu entnehmen, dass günstiger Weise als die
kleinere Frequenz (G) besitzende Eigenschwingung die Grundschwingung
und als die größere Frequenz (O) besitzende Eigenschwingung
die erste Oberschwingung des Biegeschwingers eingesetzt werden.
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Was
nun die realen Schritte des erfindungsgemäßen
Dichtemessungs- und insbesondere Fehlererkennungs-Verfahren betrifft,
so gibt darüber der Anspruch 3 in breitem Maße
Auskunft und an dieser Stelle werden im Folgenden daher vor allem
im Hinblick auf die beiden Schaubilder der 1 und 2 und deren Nutzung bzw. die Nutzung der
diesen Schaubildern zugrunde liegenden und durch sie anschaulich
gemachten mathematischen Funktionen ergänzende Ausführungen
gemacht:
Fehler bei der Messung mit Biegeschwinger-Dichtemessgeräten
entstehen insbesondere durch Gasblasen, die z. B. entweder beim
Befüllen in die Dichtemesszelle, also in den Biegeschwinger
eingebracht werden, oder die aus der Flüssigkeits-Probe
erst in der Messzelle ausgasen.
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Wie
oben kurz ausgeführt, kann optisch kontrolliert werden,
ob die Messzelle blasenfrei befüllt ist. Sehr kleine Bläschen
oder Blasen in einer opaken Probe können auf diesem Weg
nicht entdeckt werden. In diesem Fall kann eine Mehrfachmessung
und das Verwerfen offensichtlicher Ausreißer nur bedingt
helfen.
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Die
erfindungsgemäße Methode ermöglicht es,
durch Gasblasen oder andere Inhomogenitäten verursachte
Dichte-Fehlmessung durch Auswerten von in zwei verschiedenen Schwingungsmoden
des Biegeschwingers gemessenen Dichte- und Schwingungsdämpfungs-Werten
automatisierbar als solche zu erkennen und sodann zu vermeiden.
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Was
das Prinzip des erfindungsgemäßen Dichte-Messverfahrens
betrifft, so gilt Folgendes:
Die Biegeschwinger können
in verschiedenen Schwingungsmoden betrieben werden. Schon jetzt
werden bei Dichtemessgeräten, z. B. die in den 1a und 1b skizzierten
beiden Schwingungsmoden für die Dichtemessung und für
die Korrektur des Viskositätsfehlers in folgender Weise
verwendet:
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Die 1a und 1b zeigen
beispielsweise die ersten beiden Schwingungsmoden eines einseitig eingespannten
Biegeschwingers mit Grundschwingung G und 1. Oberschwingung O.
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Es
werden aus den Daten der ersten bzw. frequenzärmeren Eigenschwingung,
also insbesondere der Eigen-Grundschwingung, des flüssigkeitsbefüllten
Biegeschwingers, ein Dichtemesswert ρG und
die Schwingungsdauer PG ermittelt. Aus den
Daten der zweiten bzw. höherfrequenten Eigenschwingung,
also insbesondere der ersten Oberschwingung, werden der Dichtemesswert ρO, die Ober-Schwingungsdauer PO und
beispielsweise die Oberschwingungs-Dämpfung δO ermittelt.
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Die
nicht viskositätskorrigierten Dichtewerte ρO und ρO in
diesen beiden Schwingungsmoden werden aus den im jeweiligen Modus
gemessenen Perioden- bzw. Schwingungsdauer-Werten PG und
PO gemäß ρG = AG·P2 G – BG und ρO = AO·P2 O – BO berechnet.
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Die
für den jeweiligen Biegeschwinger charakteristischen Konstanten
AG, BG bzw. AO, BO, werden durch
Messungen an Proben mit geringer Viskosität η und
bekannter Dichte ρ bestimmt.
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Sowohl
bei der Justierung als auch bei den Messungen muss der Biegeschwinger
homogen, d. h. blasenfrei befüllt sein. Misst man flüssige
Proben höherer Viskosität η und bekannter
Dichte ρ, so stellt man in beiden Moden einen mit der Probenviskosität
ansteigenden Messfehler fest. Dieser Messfehler ist beim ersten Oberschwingungs-Modus
O größer als bei der Grundschwingung und erreicht
bei höherer Viskosität einen größeren
Maximalwert.
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Misst
man auch die Schwingungsdämpfung δ, so findet
man für die erste Oberschwingung ebenfalls einen größeren
Wert als in der Grundschwingung G. Dieser Wert erreicht dann bei
höherer Viskosität einen wesentlich höheren
Maximalwert als in der Grundschwingung G und sinkt dann ebenfalls
wieder ab. Die Werte der Schwingungsdämpfung δ können
durch Einbringung von Schwankungen der Höhe der Amplituden
der Eigenschwingung ermittelt werden.
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Die
2a und
2b erläutern
dies näher: Sie zeigen den relativen Dichtefehler
und die durch die Probenviskosität
verursachte Dämpfungsdifferenz Δδ für
die Grundschwingung und für die erste Oberschwingung des
befüllten Biegeschwingers bei homogenen Proben, also bei
Flüssigkeitsproben ohne Luftbläschen, in Abhängigkeit
von der Quadratwurzel der Viskosität der Flüssigkeitsprobe.
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Des
Weiteren wird die durch die Probeviskosität verursachte
Dämpfungs-Differenz Δδ = δ – δLuft verwendet.
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Aus
den in den 2a und 2b schematisch
dargestellten Zusammenhängen lässt sich eine Korrektur
errechnen, mit deren Hilfe der viskositätsbedingte Fehler
bezüglich Dichte und Dämpfung kompensiert werden
kann.
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Die
für diese soeben beschriebene Viskositätskorrektur
benötigten Messwerte werden zur Erkennung von durch Gasblasen
oder andere Inhomogenitäten der zu testenden Flüssigkeit
verursachten Fehlmessungen verwendet:
Bei homogenen Froben
besteht zwischen der relativen Dichtedifferenz Δρ =
(ρO – ρG)/ρG und
der durch √ρ geteilten Dämpfungsdifferenz ΔδO ein, wie in 3a als
"Blasenfrei-Kurve KB wiedergegebener, gut definierter Zusammenhang
mit einem etwa parabolischen Verlauf.
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Die 3a zeigt
den Zusammenhang zwischen relativer Dichtedifferenz ΔρO = (ρO – ρG/ρG mit
der Dämpfungsdifferenz ΔδO der
ersten Oberschwingung O dividiert durch die Quadratwurzel aus dem
Dichtewert ρG der Grundschwingung
G für homogene Proben und die Auswahl von gültigen
und ungültigen Messungen unter Zugrundelegung der die Blasenfrei-Kurve
KB beidseitig um den Abstand ab "erweiternden" Blasenfei-Kurvenfläche
KF Kurvenfläche KF.
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Es
ist die exakte Blasenfrei-Kurve KB beidseitig von einem Streuband
begleitet und an einer konkreten Flüssigkeitsprobe ermittelte
Werte der Funktion ρ
O – ρ
G/ρ
G von
Bei Flüssigkeiten
ohne Gasblasen liegen diese Werte innerhalb der schraffierten Fläche.
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Befinden
sich in der sich im Biegeschwinger befindlichen Flüssigkeit
Gasblasen, so werden die in den beiden oben definierten Schwingungsmoden
G, O gemessenen Dichtewerte ρ unterschiedlich beeinflusst.
Die in der 1. Oberschwingung O gemessene Schwingungsdämpfung ΔδO wird meist sehr stark vergrößert.
Im Diagramm der 3a ergeben sich dann Punkte
abseits des für homogene, also blasenfreie Flüssigkeitsproben gültigen
Zusammenhanges gemäß der "Parabelfläche"
KF.
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Man
kann also, um den für "blasenfreie" Proben geltenden Zusammenhang
zu realisieren, einen durch die Wiederholbarkeit von Messungen an
homogenen Proben und durch die Ansprüche an die Messunsicherheit
begrenzten Bereich festlegen, innerhalb dessen eine Dichte-Messung
als gültig und außerhalb dessen dieselbe als ungültig
zu bewerten ist.
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Z.
B. kann hier ein Wert von "±5% Bandbreite", jeweils bezogen
auf den niedrigeren Wert von Δρ bei ΔδO = Null beiderseitig der exakten Blasenfrei-Kurve
KB angenommen werden.
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Anstelle
der nicht viskositätskorrigierten Dichtewerte ρG und ρO können
bei Vorliegen einer geeigneten Viskositätskorrektur auch
die für beide jeweils verwendeten Schwingungsmoden G, O
korrigierten Dichtewerte verwendet werden.
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Im
Falle einer störungsfreien Befüllung der Messzelle
stimmen diese Dichtewerte weitgehend überein. Bei fehlerhafter
Befüllung werden die beiden viskositätskorrigierten
Dichtewerte verschieden verfälscht. Auch die Dämpfungsdifferenz ΔδO ist dann größer als bei
korrekter Befüllung.
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An
die Stelle des in 3a gezeigten Zusammenhanges
tritt dann ein linearer Zusammenhang, wie ihn 3b zeigt.
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Die 3b zeigt
die relative Differenz der viskositätskorrigierten Dichten ρ,
gemessen in der Grundschwingung G und in der ersten Oberschwingung
O in Abhängigkeit von der Dämpfungsdifferenz.
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Es
tritt in diesem "viskositätskorrigierten" Diagramm an die
Stelle der in 3a gezeigten parabelartigen
Blasenfrei-Kurve KB' eine lineare Konstanten-Kurve KB, welche wieder
beidseitig durch jeweils ein "Toleranzband" ab von z. B. ±5%
vom Wert der Punkte auf dieser Kurve begleitet ist, sodass wieder
eine "Blasenfrei-Kurvenfläche" KF für die Beurteilung
der Blasenab- oder -anwesenheit zur Verfügung steht.
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Für
die zu testende Flüssigkeit werden die jeweiligen Werte
für Periodendauer und Schwingungsdämpfung in z.
B. Grundschwingung G und in der ersten Oberschwingung O gemessen
und anhand des ermittelten Funktionszusammenhangs F(ρδ)
der tatsächliche Wert FGO für
diese Messwerte ermittelt. Liegt bei einer zu testenden Flüssigkeit
der an ihr ermittelte Wert der Funktion FGO innerhalb
der Kurven-Fläche KF, so ist dieser an der auf ihre Dichte
zu testenden Flüssigkeit ermittelte Wert der Dichte ρ akzeptabel,
liegt der Wert der Funktion FGO außerhalb
der Kurvenfläche KF, so liegt ein durch Luftbläschen
bzw. Inhomogenitäten in der Probe verfälschter
Dichte-Wert vor.
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Gleichzeitig
mit der erfindungsgemäßen Analyse der mittels
des Biegeschwingers ermittelten Dichte-Daten einer zu testenden
Flüssigkeit ist es günstig, ergänzend
eine optische Analyse derselben mittels Video-, Kamera- oder CCD-Aufnahme
des mit derselben befüllten Biegeschwingers vorzunehmen
und bei Feststellung von Blasen bzw. Inhomogenitäten als
Ergebnis der auf die beschriebene Weise erfolgten Dichte-Analyse
hinsichtlich in der Flüssigkeit anwesender oder nicht anwesender
Bläschen und/oder Inhomogenitäten die solcherart
vorgenommene optische Analyse zu speichern und zu archivieren, um
gegebenenfalls die Ursache der infolge der Bläschen u.
dgl. nicht korrekten Messung anhand der Ergebnisse dieser optischen
Analyse genauer auswerten zu können.
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Es
soll nicht verschwiegen werden, dass das neue, durch Eliminierung
von durch Blasen in den Proben verfälschten Dichtewerten
verbesserte Dichtebestimmungs-Verfahren keine guten Ergebnisse liefert, wenn
besonders kleine Bläschen gleichmäßig
in einer hochviskosen Probe verteilt sind, da die Probe dann in beiden
jeweils gewählten Schwingungsmoden als ein homogener Stoff
erscheint. Wegen der großen Viskosität solcher
Proben wird auch die sonst durch die Relativbewegung der Bläschen
und der Probe stark vergrößerte Dämpfung
kaum beeinflusst.
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Es
versagt in solchen Fällen wegen der Kleinheit der Bläschen
allerdings auch jede optische Methode.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - AT 400767
B [0008, 0009]
- - EP 0568521 A1 [0008]
- - US 7231805 B2 [0018]
bzw. der den Verlauf dieser Funktionalitäten F(ρδ) über einen weiten Dichte- und Viskositätsbereich wiedergebenden Blasenfrei-Kurve (KB) errechnet wird – IV) dass die ermittelte exakte funktionale Abhängigkeit bzw. die derselben entsprechende nicht viskositätskorrigierte oder viskositätskorrigierte Blasenfrei-Kurve (KB) durch Einführung einer jeweils gewählten bzw. bestimmten, die jeweilige Blasenfrei-Kurve (KB) beidseitig begleitenden Abweichungs-Bandbreite mit, bevorzugt konstantem, Normal-Abstand (ab) zu einer Blasenfrei-Kurvenfläche (KF) erweitert und dieselbe gespeichert wird, und – V) dass bei jeder nachfolgenden Messung mit dem Biegeschwinger an einer auf ihre Dichte ρ zu testenden Flüssigkeit jeweils anhand der an ihr aktuell erhobenen Werte von ρG, ρO, δG bzw. δO der aktuelle Funktionswert F'(ρδ) der im Zuge des obigen Justierverfahrens bestimmten Funktion ermittelt und geprüft wird, ob derselbe innerhalb der Grenzen der wie oben definierten, im Rahmen der Grundschritte (I) bis (IV) ermittelten und gespeicherten Blasenfrei-Kurvenfläche (KF) liegt oder nicht und somit der mittels des Biegeschwingers aktuell ermittelte Wert der Flüssigkeits-Dichte ρ tatsächlich zutreffend ist oder nicht.