DE1291138B - Geraet zum Messen der Dichte eines fliessenden Stroemungsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der und daß die die Innenwand des Hohlkörpers mit der Dichte eines fließenden Strömungsmittels mit einem Torsionswelle verbindenden radialen Trennwände in vom Strömungsmittel durchströmten Hohlkörper, der eine auf der Torsionswelle über die Tange des Hohlmit Hilfe wenigstens einer Torsionswelle an einem raumes aufgebrachte Nabe münden. Halter befestigt ist, sowie mit einer einen Erreger, 5 Zweckmäßig wird das System dabei so ausgelegt, einen Detektor und einen Verstärker umfassenden daß das Gehäuse zylindrisch ist, daß die Einlaßelektrischen Einrichtung zum Aufrechterhalten von Öffnung und die Auslaßöffnung radiale Rippen aufmit Eigenfrequenz erfolgenden Schwingungen des weisen, welche mit den Enden des Gehäuses starr derart aufgehängten, vom Strömungsmittel durch- verbunden sind, und daß die Torsionswelle, deren flossenen Hohlkörpers, wobei diese Frequenz in be- ίο Enden an den Rippen befestigt sind, in der Zylinderkannter Weise ein Maß für die Dichte des Strö- achse des Gehäuses angeordnet ist, weil dann auch mungsmittels ist. ','■' an der Einlaß- und Auslaßseite keine nennenswerte

Derartige Anordnungen sind bekannt, beispiels- - Drosselung erfolgt.

weise aus der USA,-Patentschrift 2 889 702. Bei den Zur Herabsetzung von Meßfehlern infolge Tem-

bekannten Geräten der geschilderten Bauart bildet 15 peraturschwankungen des Strömungsmittels empfiehlt die Torsionswelle selbst-den Zuleitungskanal für das es sich, die Torsionswelle aus einem (handels-Strömungsmittel, was^zur Folge hat, daß bei hohen üblichen) Material mit geringem thermoelastischem Drücken des Strömühgsmittels* (bei Flüssigkeiten Koeffizienten zu fertigen.

können diese unter Umständen in der Größenord- Erreger- und Detektorwicklungen werden zweck-

nung von 100 kp/cm² liegen) die Steifigkeit der Tor- 20 mäßig am Gehäuse befestigt; sie wirken mit vorzugssionswelle von dem Druck beeinflußt wird, wodurch weise keramischen Magneten zusammen, welche mit die Resonanzfrequenz ebenfalls in störender Weise dem Hohlkörper verbunden sind, beeinflußt wird und damit das Meßergebnis ver- Damit die Viskosität des Strömungsmittels, soweit

fälscht wird. Die hohe Genauigkeit, mit der sich die dieses mit der Gehäusewandung in Berührung steht, Eigenfrequenz des Systems bestimmen läßt, nutzt 25 nicht in das Meßergebnis eingeht, ist es zweckmäßig, dann nichts mehr. Hinzu kommt, daß bei solch daß der kleinste Abstand zwischen der Außenwand hohen Drücken — wie sie beispielsweise in Ölbohr- des Hohlkörpers und der Innenwand des Gehäuses Schächten vorliegen — eine Anordnung, bei der auf — größer ist als die halbe der Resonanzfrequenz des den schwingenden Hohlkörper selbst der Druck ein- Hohlkörpers in dem zu untersuchenden Strömungswirkt, dieser so stabil gebaut sein muß, daß die Emp- 30 mittel entsprechende Wellenlänge, findlichkeit des Systems erheblich herabgesetzt wird. Es empfiehlt sich auch, die Erreger- und die De-

Ebenso führt ein Druckabfall längs des Dichtefühlers tektorwicklungen gegeneinander abzuschirmen; eine zu Verfälschungen des Meßergebnisses bei ungünsti- solche magnetische Abschirmung kann in dem zwigem Aufbau des^: Systems, - ■■■■·' ■ sehen ihnen liegenden Bereich des Gehäuses ange-

Der Hauptnachteil der bekannten Geräte besteht 35 ordnet sein.

jedoch darin, daß gerade bei dieser Bauart die Vis- Wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert wer-

kosität des zu untersuchenden Strömungsmittels den wird, kann der Einfluß der Viskosität des Ströebenfalls in das Ergebnis der Dichtemessung eingeht, mungsmittels, das den Hohlkörper durchfließt, durch und dies um so mehr, je größer die Druckunter- eine geeignete schaltungsmäßige Auslegung der elekschiede beidseits der Hohlkörperwandung sind. Um 40 irischen Einrichtung kompensiert werden. Bei dieser ein exaktes Ergebnis ermitteln zu können, muß man erfindungsgemäßen Ausbildung der elektrischen Einalso nicht nur die -vorliegenden Drücke, sondern richtung, die zu dem Gerät gehört, wird es nicht nur auch noch die Viskosität des zu untersuchenden Strö- ermöglicht, die Dichte unabhängig (in weiten'Grenmungsmittels kennen, was beispielsweise in Bohr- zen) von der Viskosität zu messen, sondern man erschächten manchmal ganz unmöglich ist. - 45 hält darüber hinaus eine Information auch bezüglich

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der ein- der Viskosität selbst. Für die Dichtebestimmung gangs geschilderten Art zu schaffen, bei dem zu- selbst wird wie üblich ein Frequenzmesser vorgenächst einmal die Drücke im Strömungsmittel das sehen; und da es oft erwünscht ist, mit einem ein-Meßergebnis nicht beeinflussen können. zigen Gerät möglichst viele Informationen zu ge-

Diese Aufgabe wir'Ö gemäß der Erfindung dadurch 50 winnen, können auch noch eine Temperaturmessung gelöst, daß der Halter ein geschlossenes, den Hohl- und -anzeige vorgesehen werden, körper vollständig umschließendes Gehäuse mit Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme

einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung für das auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Das zu prüfende Strömungsmittel ist, daß die Außenwand mechanische System wird dabei kurz als »Dichtedes Hohlkörpers.ate Rotationsfläche um die Torsions- 55 fühler« bezeichnet.

welle ausgebildet ist und daß die Innenwand des F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene schaubildliche

Hohlkörpers mit der Torsionswelle durch radiale Ansicht eines einfachen Dichtefühlers zur Erläute-Trennwände verbunden ist. rung des grundsätzlichen Aufbaus des erfindungs-

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wirkt gemäßen Geräts; also auf die Wandung des Hohlkörpers von beiden 60 Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Seiten der gleiche Strömungsmitteldruck, so daß das den Übertrager der Fig. 1 benutzenden Dichte-System entsprechend leicht und empfindlich ausge- messeranordnung;

bildet werden kann. Ferner durchströmt das Strö- Fig. 3 und 4 sind Zeigerdiagramme zur Er-

mungsmittel das schwingungsfähige System praktisch läuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung der ohne Drosselung, so daß auch kein nennenswerter 65 Fig. 1;

Druckabfall längs des Systems erfolgt, was dadurch Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines Meß- und Rebegünstigt wird, daß der Hohlkörper ein länglicher, gistriersystems, welches das Dichtemeßsystem der eine dünne Außenwand aufweisender Zylinder ist, Fig. 2 und zusätzliche Meßgeräte zur gleichzeitigen

3 4

Registrierung wünschenswerter Kenngrößen des der von mit dem anderen Ende der Torsionswelle 42

untersuchten Strömungsmittels enthält; gekuppelten Dauermagneten 66, 68 ausgehende Ma-

F i g. 6 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer gnetfluß die Windungen jeweils einer Detektorwick-

bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä- lung 74, 76 schneidet. Bekanntlich ist die Kreisßen Übertragers der F i g. 1; 5 frequenz 2 π j des in den Wicklungen 74, 76 induzier-

F i g. 7 ist ein Schnitt längs der Linie 7-7 der ten Signals gleich der Kreisfrequenz ω des mechani-

Fig. 6; sehen Systems. Bei allmählicher Veränderung der"

F i g. 8 ist ein Schnitt längs der Linie 8-8 der Frequenz des angelegten Wechselstromes wird daher

F i g. 6; das System in Resonanz geraten, wenn die Frequenz

F i g. 9 zeigt schematisch die Umwandlung der me- ίο des Stromes gleich der Eigenfrequenz des Systems

chanischen Schwingungen in elektrische Schwin- wird,

gungen. Die Eigenfrequenz des Hohlkörpers . wird durch

Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen folgende Formel ausgedrückt:

Geräts kann am besten unter Bezugnahme auf F i g. 1 ,—

erläutert werden. Das Gerät enthält bewegliche und 15 /= ·*· ·]/—, (I)/

elastische Teile und ortsfeste oder unbewegliche 2 · π ]/ I

Teile. worin

. ^Die i^eV?^ichtS^ü5|f™ bildenden Teile umfassen _{= SteJfheit des elastischen s stems}

einen länglichen Hohlkörper 34 mit einer dünnen ^ _{= Trä hdt des elastischen s}* _stems'.

Wand 36 und wenigstens einer Torsionswelle 42. Zur 20 ° ^J

Vereinfachung der Herstellung und der analytischen Da / die Summe von /₀ (Trägheit der beweglichen

Behandlung ist der Hohlkörper 34 vorzugsweise zy- Teile im Vakuum) und eines zu ρ (Dichte des mitge^

lindrisch ausgebildet. Die Wand 36 ist durch radiale nommenen Strömungsmittels) proportionalen Gliedes

Trennwände 38 mit einer Nabe 40 verbunden, welche ist, wird der obige Ausdruck:

mit dem mittleren Abschnitt der zentral in Längs- «5 .. /

richtung angeordneten Torsionswelle 42 fest verbun- f L_ . 1/ ^ C2> '

denist . ⁷ -2·» y Io + kQ ^W-

Die unbeweglichen Teile umfassen ein ebenfalls . . _ .. . , ,

zylindrisches Gehäuse 10, welches den Hohlkörper m einem Stromungsmittel und

34 konzentrisch umgibt. Ein verhältnismäßig unein- 30 ,

geschnürter Durchlaß für das zu untersuchende Strö- f = . 1/-^- (3)

mungsmittel und eine gewünschte elastische Steifig- 2·π y I₀

keit werden durch eine Einlaßöffnung 18, umfassend .

eine durch radiale Rippen 22 mit dem Gehäuse 10 ^im.Y^akuum.' , .

verbundene zentrale Nabe 20, und eine Auslaß- 35 ^{Man ernalt daner:}

öffnung 28 mit einer ebenfalls durch radiale Rippen / y \a ' ' '.

31 mit dem Gehäuse 10 verbundenen zentralen Nabe \~f~) ⁼ 1 + ^α' ö > (4) '

30 hergestellt. Die Enden der Torsionswelle 42 sind '

zentral starr in den Naben 20 bzw. 30 befestigt. Der worin α eine Konstante des Systems ist. Die Eigen-Außendurchmesser des Hohlkörpers 34 ist nur 40 frequenz / des Hohlkörpers 34 ist daher eine Funkwenig kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses tion der Dichte des Strömungsmittels bei einem voll-10, so daß der Ringraum 41 zwischen ihnen größen- kommenen (nicht viskosen) Strömungsmittel,
ordnungsmäßig 1,5 mm beträgt. Der Hohlkörper 34 Die Grundgleichung (4) gilt sehr angenähert, wenn ist so vollständig in das zu untersuchende Strömungs- das Gehäuse 10 von Gas durchströmt wird. Bei Flüsmittel eingetaucht. 45 sigkeiten, insbesondere bei viskosen Flüssigkeiten der

Es können verschiedene Mittel benutzt werden, in Ölschächten auftretenden Art, würde die Glei-

um ein Drehmoment auf die Torsionswelle 42 auszu- chung (4) erhebliche Fehler ergeben. Bei Benutzung

üben und so den nur eine geringe Trägheit besitzen- der Gleichung (4) zur Berechnung der Dichte einer

den Hohlkörper 34 und die Torsionswelle 42 in bekannten ölart kann z.B. ein Fehler von +15°/o

Schwingungen zu versetzen. Da es meist wünschens- 50 erwartet werden. Dieser Fehler rührt hauptsächlich

wert ist, ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen, von der Viskosität des Strömungsmittels her, welche

'wird die Ausbildung so getroffen, daß ein Ende der eine Vergrößerung der Trägheit / der sich bewegen-

Welle 42 als Motor (Erreger) und das andere Ende den Teile zur Folge hat.

der Welle als Generator (Detektor) arbeitet. Es werden die Phase und die Amplitude des Er-

F i g. 2 ist eine schematische Darstellung der mit 55 regerstromes i so verändert, daß selbsttätig ein Dreh-

der Torsionswelle 42 gekoppelten elektromagnet!- moment C_m von solcher Phase und solcher Amplitude

sehen Anordnung. ausgeübt wird, daß die Frequenzänderungen durch

Die Erregung wird dadurch erhalten, daß ein die Viskosität vernachlässigbar bleiben. Da die BeElektromagnet mit einem eine Erregerwicklung 52 träge, um welche der Strom i verändert werden muß, tragenden Kern 50 auf einen Dauermagneten 62 zur 60 um / von der Viskosität unabhängig zu machen, für Einwirkung gebracht wird, welcher mit einem Ende verschiedene Viskositätswerte festgestellt werden könder Torsionswelle 42 gekuppelt ist. Bei Erregung des nen, liefert die Messung des Stromes i auch eine InElektromagneten durch einen sinusförmigen Strom i formation über die Viskosität des untersuchten Ströwird offenbar ein sinusförmiges Drehmoment C_m auf mungsmittels. Für das bessere Verständnis des Eindie Torsionswelle 42 ausgeübt, so daß dem Hohl- 65 flusses der viskosen Kopplung auf die Resonanzkörper 34 eine sinusförmige Winkelgeschwindigkeit ω erscheinung ist es zweckmäßig, zunächst das Arbeium die Achse der Torsionswelle 42 erteilt wird. ten eines üblichen elektromechanischen Oszillators zu

Die Detektorwirkung wird dadurch erhalten, daß untersuchen.

Ein derartiger Oszillator wird durch, die folgende Die Konstante Λ. ist durch folgende Formel geDifferentialgleichung zweiter Ordnung beherrscht: geben:

_t d²<9 . , d<9

^{at at} 5 worin

worin r = Halbmesser des Hohlkörpers 34,

Θ ~ Drehwinkel der Tbrsionswelle 42, s = äußere Umfangsfläche der Wand 36,

k — Reibungskoeffizient, ρ = Dichte des gemessenen Strömungsmittels,

©_ft — Höchstwert von 0, η = Viskosität des gemessenen Strömungsmittels.

C_m — angelegtes Drehmoment. io Im allgemeinen kann der Wert von (— k · ω · O₀)

,_., . ... . e, ., . . , -,, . τ ,^-S gegenüber A · ω · Θ_η vernachläsigbar gemacht wer-

FursmnsfonmgeSchwmgungenwirdGleichungCS): «^ _{ßei der Kopplung des A}usiLgs ^_er Detektor-

/· ω⁸ · <9₀ — k · ω · Θ_ο — μ · Θ_ο + C_m — Ö, (6) wicklungen 74, 76 mit dem Eingang eines die Er

regerwicklung 52 speisenden Verstärkers wird offen-

worin 15 bar das Auftreten des von der Viskosität des Strö-

μ mungsmittels abhängigen zusätzlichen Trägheitsfak-

co² = -γ und C_m = K · ω · Θ_ο. tors Qa · ω · Θ_ο) die Resonanzfrequenz des in das

Strömungsmittel eingetauchten Hohlkörpers erheb-

F ig. 3 zeigt eia Zeigerdiagramm der Gleichung (6). lieh verändern [s. Gleichung (4)]. Ebenso beeinflußt Bekanntlich ist die von den Klemmen der Detektor- 20 die mit (—k · ω · O₀) in Phase liegende zusätzliche wicklungen 74, 76 gelieferte Spannung F₀ in Phase Dämpfungskomponente (—A · ω · Θ_α) unmittelbar mit ω und somit auch mit dem Zeiger (—k · ω · O₀). die Steifigkeit μ des Fühlers. Dies hat zur Folge, daß Damit / die gleiche Frequenz wie ω hat, muß i mit die Amplitude der an den Ausgangsklemmen der Dedem Drehmoment C_m und somit mit dem Zeiger tektorwicklungen 74, 76 erscheinenden Spannung V_d (—k· ω · Θ_ο) in Phase sein (innerhalb π). Da die Er- 25 zu A umgekehrt proportional ist, wenn das angelegte regerwicklung 52 eine hohe Induktivität hat, eilt die Torsionsmoment C_m konstant bleibt. In dem erfin-Spannung V_m über der Wicklung 52 dem Strom i dungsgemäßen System wird C_m so vergrößert, daß V_d

, .. _τ7 _, π . praktisch konstant bleibt. Durch Messung des Stro-

und somit V_d um _y nach. ^ _{m der} ^ _{S2> weIcQer m Cm ρ}°_{ορθΓίίοη?!}

Die obige Analyse der Arbeitsweise eines elektro- 30 ist, ist es also möglich, auch eine Angabe über die mechanischen Oszillators allgemeiner Art ist natür- Viskosität des Stromungsmittels zu erhalten, lieh von der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Ge- Hierfür wird, wie in Fig. 2 dargestellt, das Ausrätes ganz verschieden. Wie nämlich bereits erwähnt» gangssignal V₄ über den Leiter 181 an einen Freverändert die viskose Kopplung insbesondere zwi- quenzmesser 82 und an eine Eingangsleitung 83 eines sehen der Außenfläche der Wand 36 und dem unter- 35 Verstärkers angelegt welcher mit gestrichelten Linien suchten Strömungsmittel die Resonanzfrequenz des umrahmt und mit 84 bezeichnet ist. Der den V_a entHohlkörpers beträchtlich. Andererseits zeigt eine sprechenden Strom i liefernde Verstärker 84 enthält mathematische Untersuchung der Resonanzerschei- eine Schaltung zur Impedanzanpassung 85 mit zwei nung, daß der Einfluß der Innenfläche des Gehäuses Ausgängen. Ihr erster Ausgang ist mit dem ersten 10 auf die Amplitude der viskosen Kopplung ver- 40 Eingang 86 einer Breitbandvorverstärkerstufe 90 mit nachlässigbar gemacht werden kann, wenn die Breite veränderlicher Verstärkung verbunden, während ihr des Ringraumes 41 größer als eine halbe ω entspre- zweiter Ausgang mit dem ersten Eingang 94 einer chende Wellenlänge gemacht wird. Wenn z. B. das Vergleichschaltung 96 verbunden ist, welche auch bei Gerät zur Messung der Dichte von Petroleumproduk- 92 ein von einer Bezugssignalquelle 98 geliefertes Beten benutzt wird und die Breite des Ringraumes 41 45 zugssspannungssignal empfängt. Die Ausgangsgröße angenähert 1,5 mm beträgt, ist die obige Bedingung der Vergleichsschaltung 96 wird an einen Gleicherfüllt. Wenn die Schwingungsfrequenz größenord- spannungsverstärker 100 angelegt, dessen Ausgang nungsmaßig 1 kHz beträgt, die größte bei flüssigen mit einer Klemme 102 zur Steuerung der Verstärkung Petroleumprodukten angetroffene Viskosität größen- der Vorverstärkerstufe 90 verbunden ist. Infolge der ordnungsmäßig 2 Poise beträgt und ihre Dichte grÖ- 50 Schleife zur selbsttätigen Steuerung der Verstärkung, 'Benordnungsmäßig den Wert von 0,8 g/cm³ hat, be- in welche die Vorverstärkerstufe 90 eingeschaltet ist, trägt die Wellenlänge der entsprechenden Schwin- hat offenbar das Ausgangssignal V_p auf einer Leigungsbewegung angenähert 1,8 mm. Der Wert von tung 153 praktisch eine konstante Amplitude. 1}5 mm, welcher größer als die Hälfte von 1,8 ist, ist Das Signal F_p wird an eine Phasenschieberschaldaher ein zweckmäßiger Wert. 55 tang 104 angelegt, welche den an sie angelegten Si-

Der vernachlässigbare Einfluß der Innenfläche des gnalen eine Phasenverschiebung von 45^σ erteilt. Der Gehäuses 10 auf ω führt zu einem verhältnismäßig Ausgang des Phasenschiebers 104 ist mit einem geeinfachen mathematischen Ausdruck für die viskose eigneten Leistungsverstärker 106 gekoppelt, dessen Dämpfung, welche auf die Außenfläche der Wand 36 Ausgangsstrom i in einer Leitung 107 die Ausgangszusätzlich von dem Strömungsmittel in dem Ring- 60 größe des Verstärkers 84 bildet. Zur Messung der raum 41 ausgeübt wird. Viskosität des Strömungsmittels ist die Leitung 107

Wie in dem Zeigerdiagramm derFig.4 dargestellt, mit einer Leitung 110 über einen Strommesser 108

wird diese viskose Dämpfung durch einen Zeiger C_v verbunden. Schließlich ist die Leitung 110 mit der

wiedergegeben, welcher zwei Komponenten hat, Erregerwicklung 52 auf dem Kern 50 verbunden,

deren jede angenähert die Amplitude | A ■ ω - Θ_ο | 65 Auch ohne die Vergleichsschaltung 96 und den

hat. Eine dieser Komponenten ist in Phase mit dem Verstärker 100 weist offenbar der Verstärker 84

Trägheitszeiger /·ω²·Θ₀, während die andere mit einen wesentlichen Unterschied gegenüber den bisher

dem Dämpfungsanzeiger (—k ■ ω · Θ_ο) m Phase ist. zur Aufrechterhaltung der Schwingung eines elastisch

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aufgehängten Systems benutzten Verstärkern auf. der Stromstärke i durch den Strommesser 108 ergibt

Aus der obigen mathematischen Untersuchung, deren daher einen Wert, welcher zu

Ergebnis in F i g. 4 dargestellt ist, geht hervor, daß ·, r—_——

die in dem Verstärker 84 zwischen der an die De- ]/ρ·ω·η tektorwicklung 74 anliegenden Spannung V_d und der 5 proportional ist.

an die Erregerwicklung 52 angelegten Spannung V_m Eine unmittelbare Folge hiervon ist, daß die größte

„.., _, ,. , . , , jf , meßbare Viskosität durch die größte Leistung be-

eingeführte Phasenverschiebung mcht mehr _T be- _{stimmt ist> wdche die L}eistung1verstärkerstufe 106

, η rv , ... ,. , _TT . u- λ liefern kann. Femer ist es durch Kombination der

tragt, sondern _T. Dieser grundsätzliche Unterschied _{Jo V0Q dem Frequenzmesser 82 und von dem} stromverändert die Arbeitsweise des den erfindungsgemä- messer 108 gelieferten Informationen möglich, nicht ßen Dichtemesser enthaltenden elektromechanischen nur die Dichte, sondern auch die Viskosität des den Oszillators. Die Verschiebung des Signals V_m und so- Hohlkörper 34 umgebenden Strömungsmittels zu

., . _/T» j · · j κ i_ * \ η messen,
mit von ι (V_m und t sind um _T verschoben) um _{T i{}. _{ßei dem jm Ganzen} ^ ^ _{bezeichneten Dichte}_

ermöglicht es, daß das Torsionsmoment C_m (C_m und i fühler der F i g. 5 ist der Leiter 181 mit dem Fre-

sind in Phase) in Phase (innerhalb n) mit dem von quenzmesser 82, der hier digital ausgebildet ist, ver-

der viskosen Kopplung herrührenden Zeiger C_v ist. bunden, welcher dem ersten Eingang 115 eines selbst-

Man erhält daher folgende Gleichungen: tätigen Druckwerks 118 Steuersignale liefern kann.

2o Ebenso ist sein Leiter 107 mit dem Strommesser 108,

μ·ω²· Θ_ο| = \μ· Θ_ο\, jer _aucj_l digital ist, verbunden, welcher ebenfalls

\C_mx I = \A · ω · 6>₀1, Steuersignale einem zweiten Eingang 116 des Druck-

\r 1=1/4 η \ werks 118 liefern kann. Ferner ist ein Thermometer

|<-my| \^Ά ·ο>·«3»₀|, _{112 welches} Zg_{1 ein} Thermoelement mit nachge-

worin C_mx und C_m die waagerechte bzw. lotrechte 25 schalteten! Verstärker enthält, über einen Draht 113

Komponente von C_1n sind. mit einem digitalen Spannungsmesser 114 gekoppelt,

Unter diesen Bedingungen wird die Schwingungs- welcher einem dritten Eingang 117 des Druckwerks

frequenz / nicht mehr durch den zusätzlichen Trag- 118 Steuersignale liefern kann,

heitszeiger A · ω · Θ_ο beeinflußt, da zu C_n (in F i g. 3) F i g. 5 enthält also alle Teile der F i g. 2, wozu

ständig C_mx hinzugefügt wird, welches gleich 30 noch das Thermometer 112, der digitale Spannungs-

A · ω · Θ_ο und diesem entgegengesetzt ist. Es wird messer 114 und das selbsttätige Druckwerk 118

daran erinnert, daß A · ω · 6>₀ durch die viskose treten. Bei dieser Ausbildung zeichnet das selbsttätige

Kopplung zwischen dem Hohlkörper 34 und dem Druckwerk 118 gemäß einem vorbestimmten Arbeits-

Strömungsmittel, in welches er eingetaucht ist, er- spiel Angaben auf, welche einerseits der Dichte und

zeugt wird. Die allgemeine Gleichung (4) ist daher 35 der Viskosität des gemessenen Strömungs- und an-

wieder maßgebend. Entsprechend ergibt der Fre- dererseits der Temperatur des Strömungsmittels im

quenzmesser 82 gleiche Meßergebnisse für Strö- Augenblick der Messung entsprechen. Die Kenntnis

mungsmittel mit gleichen Dichten, selbst wenn ihre der Temperatur ist tatsächlich nötig, da selbst bei

Viskositäten erheblich unterschiedlich sind. konstanter Dichte und Viskosität Temperaturschwan-

Außer durch die Einführung einer Phasenverschie- 4° kungen die Frequenz und die Amplitude von V_d be-

, η , ., . , , j. . „ . einflussen. So dehnt sich z. B. bei einer Temperatur-

bung von _T unterscheidet sich der die Aufrecht- _{zunahme der} Hohlkörper 34 aus, und das Volumen

erhaltung der elektromechanischen Schwingungen er- des durch die radialen Trennwände 38 in Umdrehung zeugende Verstärker 84 von den typischen für der- versetzten Strömungsmittels nimmt zu. Ferner wird artige Systeme benutzten Verstärkern noch in einem 45 der Elastizitätskoeffizient der Torsionswelle 42 veranderen wichtigen Punkt. Wie bereits erwähnt, würde ändert, auch wenn diese vorzugsweise aus einem der bei Benutzung eines typischen Verstärkers die Am- handelsüblichen Materialien besteht, welche einen plitude der Spannung V_d zu A umgekehrt proportio- kleinen thermoelastischen Koeffizienten besitzen. Um nal sein (da C_m in den bekannten Systemen konstant jedoch genaue Dichtemessungen zu erhalten, muß bleibt). Um ein amplitudenmoduliertes Signal V_d zu 50 der Temperaturfehler berichtigt werden, wenn er nur vermeiden, welches bereits als Funktion der Dichte größenordnungsmäßig l«/o auf 100⁰C beträgt. Es frequenzmoduliert ist, und um zusätzlich einen zwei- wird daher die Benutzung von Eichkurven oder -taten kennzeichnenden Parameter des untersuchten fein empfohlen.

Strömungsmittels zu erhalten, wird das Signal V_d Es kann also ausgesagt werden, daß der erfindurch die Schleife zur selbsttätigen Steuerung der 55 dungsgemäße Dichtemesser bei seiner Kombination Verstärkung, in welche die Vorverstärkerstufe 90 mit einem Thermometer selbst unter den härtesten eingeschaltet ist, konstant gehalten. Hierfür wird in Betriebsbedingungen drei grundsätzliche Parameter der Vergleichsschaltung 96 das Wechselsignal V_d liefert, nämlich die Dichte, die Viskosität und die gleichgerichtet und gefiltert und dann mit dem von Temperatur, welche bei ihrer Kombination gestatten, der Bezugssignalquelle 98 gelieferten Signal ver- 60 die Art des von der Leitung 10 geführten Ströglichen. Jede Abweichung von einem Sollwert wird mungsmittels mit großer Genauigkeit zu bestimmen, durch den Gleichstromverstärker 100 verstärkt, um Fig. 6 zeigt eine praktische Ausführung des in das Potential an der Klemme 102 der Vorverstärker- Fig. 1 dargestellten Dichtefühlers, welche in dem stufe 90 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Auf diese Gerät nach der Fig. 2 benutzt werden kann. Um Weise wird die Verstärkung des Verstärkers 84 selbst- 65 eine wiederholte Beschreibung gleicher Teile zu vertätig so gesteuert, daß die Amplitude des Stromes i meiden, sind in Fig. 1 und 6 gleiche Bezugszeichen und somit des Moments C_m mit der Viskosität des für gleichartige Teile benutzt. Der unbewegliche Teil gemessenen Strömungsmittels zunimmt. Die Messung des Dichtemessers umfaßt das Gehäuse 10, welches

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Claims (12)

1. den äußeren Teil eines Sonderinstruments sein spart, welche mit flachen Abschnitten 71 und 73 verkann und dicht auf einen zylindrischen Rahmen 12 sehen sind. An diesen flachen Abschnitten 71, 73 paßt, welcher vorzugsweise aus Aluminium besteht sind zwei flache Ferromagnetstäbe 78 bzw.. 80 be- und an dem Gehäuse 10 durch zwei Sprengringe 14 festigt. Die Detektorwicklung 74 ist auf den Stab 78 und 16 befestigt ist. Die radialen Rippen 22 der Ein- 5 und die entsprechende Wicklung 76 auf den Stab 80 laßöffnung 18 bestehen aus Glasfasern und sind bei aufgewickelt. Die Wicklungen 74, 76 sind vorzugs-24 an die Innenfläche 26 des Rahmens 12 ange- weise in Reihe geschaltet. Gegenüber dem in der klebt. Die radialen Rippen 31 der Auslaßöffnung 28 Längsrichtung mittleren Abschnitt des Hohlkörpers können aus einem beliebigen geeigneten Metall be- 34 ist zwischen dem Gehäuse 10 und dem Rahmen stehen und sind bei 32 an die Innenfläche 26 ange- io 12 eine zylindrische magnetische Abschirmung 81 klebt. angeordnet. Wenn die Achsen der Detektorwicklun-

   Der elastische Abschnitt des Dichtefühlers umfaßt gen 74, 76 zu der Achse der Erregerwicklung 52 parden Hohlkörper 34, welcher vorzugsweise aus einer allel liegen, wird eine unmittelbar magnetische Inleichten Aluminiumlegierung besteht, um seine Trag- duktion zwischen ihnen weitgehend ausgeschaltet, heit möglichst klein zu halten, und die Torsionswelle 15 Die magnetische Abschirmung 81 verringert ferner in 42, weiche vorzugsweise aus einem Material mit den Wicklungen 74, 76 induzierte Fehlersignale, niedrigem thermoelastischem Koeffizienten besteht. Wie aus F i g. 9 hervorgeht, schneiden bei einer

   Die Enden 44 und 46 der Welle 42 sind in den Bewegung des Hohlkörpers 34 die von den Dauer-Mitten der Naben 20 bzw. 30 der öffnungen 18 bzw. magneten 66 und 68 ausgehenden magnetischen 28 befestigt. Eine gewisse Zahl (z. B. sechs) von 20 Kraftlinien die Wicklungen 74 bzw. 76, wodurch in radialen Trennwänden 38 verbindet die Nabe 40, diesen eine zu der Winkelgeschwindigkeit der Torweiche an der Torsionswelle 42 befestigt ist oder mit sionswelle 42 proportionale Spannung V_d induziert dieser ein Stück bildet, mit der Innenfläche der wird.

   dünnen Wand 36 des Hohlkörpers 34. Die Trenn- Durch Messung der Frequenz des Signals V_ä kann

   wände 38 können aus dem gleichen Material wie der 25 also die Dichte des durch den Hohlkörper 34 strö-Hohlkörper34 bestehen. Aus den oben erläuterten menden Strömungsmittels genau gemessen werden. Gründen ist es zweckmäßig, daß der Zwischenraum Wenn das Strömungsmittel ein Gas ist, erfährt der 41 zwischen der Außenfläche der Wand 36 und der Dichtefühler eine verhältnismäßig vernachlässigbare Innenfläche 26 des Rahmens 12 größenordnungsmä- viskose Reibung. Bei einer Flüssigkeit ist die viskose ßig 1,5 mm beträgt. 3° Reibung beträchtlich, und die für die Vorverstärker-

   An dem unteren Ende der Nabe 40 ist ein koni- stufe 90 vorgesehene Regelung der Verstärkung versches Tragglied 48 geringer Trägheit befestigt, an größert den der Erregerwicklung 52 gelieferten welches eine Magnetscheibe 64 bei 162 z. B. mit Strom i in solchem Maße, daß die zusätzliche BeEpoxydharz angeklebt ist, welche zwei keramische lastung des Dichtefühlers durch die Flüssigkeit aus-Dauermagnetteile 58 und 60 trägt, die einen Nordpol 35 geglichen wird. Wenn erfindungsgemäß in dem Ver-

   gnetkera 50 ist lamelliert und in geeigneter Weise an vorgesehen wird, schwingt der Dichtefühler mit der Nabe 20 der Öffnung 18 befestigt. Da diese aus einer praktisch von der Viskosität des Strömungs-Glasfasern besteht, sind die Wirbelstromverluste sehr 40 mittels unabhängigen Frequenz. Infolgedessen begering. Der Kern 50 hat einen flachen, in einer Quer- herrscht das durch die Gleichung (4) ausgedrückte ebene liegenden Abschnitt 51 und zwei sich in der allgemeine Gesetz das Arbeiten des erfindungs-Längsrichtung erstreckende U-förmige Arme 54 und gemäßen Geräts sowohl für Flüssigkeiten als auch 56, welche zueinander parallel und in bezug auf die für Gase. Schließlich arbeitet, da die elastischen und Torsionswelle 42 symmetrisch sind. Die Magneten 58 45 die unbeweglichen Teile des Dichtefühlers vonein- und 60 sind zwischen den U-förmigen Armen 54 und ander getrennt sind (wobei der unbewegliche Teil 56 angeordnet. Der Luftspalt zwischen den Armen nur dazu dient, dem Strömungsmittel eine Dreh-54, 56 und den Magneten 58, 60 beträgt größenord- bewegung zu erteilen), der Dichtefühler im Druckmmgsmäßig 1 mm. Dies hat zur Folge, daß das In- gleichgewicht, und die abgeleiteten Frequenzmessunstrument praktisch gegen Schmutzteilchen unemp- 50 gen sind von Differentialdrücken unabhängig, findlich ist. Die U-förmigen Arme 54 und 56 konzentrieren das durch den Wechselstrom in der Er- Patentansprüche: regerwicklung 52 erzeugte Magnetfeld auf den von
   den Magneten 58 und 60 eingenommenen Raum. 1. Gerät zum Messen der Dichte eines fließen-

   Bei Erregung der Wicklung 52 mit einem 55 den Strömungsmittels mit einem vom Strömungs-Wechselstrom j wirkt das resultierende magnetische mittel durchströmten Hohlkörper, der mit Hilfe Wechselfeld in an sich bekannter Weise auf die wenigstens einer Torsionswelle an einem Halter Dauermagneten 58 und 60 und erzeugt ein Moment C_n befestigt ist, sowie mit einer einen Erreger, einen an der Torsionswelle 42. Detektor und einen Verstärker umfassenden elek-

   Zur Umwandlung der mechanischen Drehschwin- 60 irischen Einrichtung zum Aufrechterhalten von

   gung in ein elektrisches Wechselsignal sind die zwei mit Eigenfrequenz erfolgenden Schwingungen

   flachen keramischen Magneten 66 und 68 an zwei des derart aufgehängten, vom Strömungsmittel

   diametral angeordneten Trennwänden 38 befestigt, durchflossenen Hohlkörpers, wobei diese Fre-

   wie in Fig. 8 dargestellt. Jeder Magnet 66 und 68 quenz in bekannter Weise ein Maß für die Dichte

   ist radial so gepolt, daß der Nordpol an der Wand 36 65 des Strömungsmittels ist, dadurch gekenn-

   des Hohlkörpers34 und der Südpol an der Nabe40 zeichnet, daß der Halter ein geschlossenes,

   liegt. Gegenüber den Magneten 66, 68 sind in dem den Hohlkörper (34) vollständig umschließendes

   Rahmen 12 zwei weite öffnungen 70 bzw. 72 ausge- Gehäuse (10) mit einer Einlaßöffnung (18) und

   einer Auslaßöffnung (28) für das zu prüfende Strömungsmittel ist, daß die Außenwand (36) des Hohlkörpers (34) als Rotationsfläche um die Torsionswelle (42) ausgebildet ist und daß die Innenwand des Hohlkörpers (34) mit der Torsionswelle (42) durch radiale Trennwände (38) verbunden ist.
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (34) ein länglicher, eine dünne Außenwand (36) aufweisender Zy- ίο linder ist und daß die die Innenwand des Hohlkörpers (34) mit der Torsionswelle (42) verbindenden radialen Trennwände (38) in eine auf der Torsionswelle (42) über die Länge des Hohlraumes (34) aufgebrachte Nabe (40) münden.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) zylindrisch ist, daß die Einlaßöffnung (18) und die Auslaßöffnung (28) radiale Rippen (22, 31) aufweisen, welche mit den Enden des Gehäuses (10) starr ao verbunden sind, und daß die Torsionswelle (42), deren Enden (44, 46) an den Rippen (22, 31) befestigt sind, in der Zylinderachse des Gehäuses (10) angeordnet ist.
4. 4. Gerät nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionswelle (42) einen kleinen thermoelastischen Koeffizienten aufweist.
5. 5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger aus einer Wicklung (52), welche auf einem lamellierten ferromagnetischen Kern (50) aufgebracht ist, der über Isolierteile an dem Gehäuse (10) befestigt ist, sowie aus einem vorzugsweise aus keramischem Material gebildeten, an dem Hohlkörper (34) befestigten Magneten (58, 60) besteht.
6. 6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus zwei in Reihe geschalteten und an dem Gehäuse (10) angebrachten Wicklungen (74, 76) und aus zwei vorzugsweise aus keramischem Material gebildeten, im Hohlkörper (34) befestigten und den Wicklungen (74, 76) gegenüberliegenden Magneten (66, 68) besteht.
7. 7. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Abstand zwischen der Außenwand (36) des Hohlkörpers (34) und der Innenwand des Gehäuses (10) größer ist als die halbe der Resonanzfrequenz des Hohlkörpers (34) in dem zu untersuchenden Strömungsmittel entsprechende Wellenlänge.
8. 8. Gerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wand des Gehäuses (10) an einer zwischen der Erregerwicklung (52) und den Detektorwicklungen (74, 76) liegenden Stelle eine magnetische Abschirmung (81) angeordnet ist.
9. 9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (84) eine um -^- phasenschiebende Schaltung (104) enthält.
10. 10. Gerät nach Anspruch 9, wobei der Verstärker wenigstens eine Vorverstärkerstufe, deren Eingang mit dem Detektor verbunden ist, und eine Leistungsstufe, deren Ausgang mit dem Erreger in Verbindung steht, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkerstufe (90) regelbar ist und daß eine mit ihrem Eingang mit dem Detektor und mit ihrem Ausgang mit der Vorverstärkerstufe (90) in Verbindung stehende Vergleichsschaltung (96) vorgesehen ist und daß zwischen der Leistungsstufe (106) und dem Erreger ein Strommesser (108) geschaltet ist.
11. 11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die die Schwingung des schwingenden Hohlkörpers (34) aufrechterhaltende elektrische Einrichtung ein Frequenzmesser (82) angeschlossen ist.
12. 12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise für Fernmessung eingerichtetes Thermometer (112) mit dem zu untersuchenden Strömungsmittel in Berührung steht.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen