DE1498548A1 - Massenbestimmungsgeraet - Google Patents
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Description
AUTOMATION PHODUOTS, INC., Houston, Staat Texas
(V.St.A.)
Mass enbestimmungsgerät
Die Erfindung bezieht sich auf Massenbestimmungsgeräte
und betrifft insbesondere ein Gerät zur Messung von Veränderungen der physikalischen Masseneigenschaften
vor allem von strömungsfähigem Material. Das Anwendungsgebiet liegt bei Messungen von physikalischen
Materialeigenschaften, beispielsweise der Dichte, des Gewichtes, des spezifischen Gewichtes und bei
Pegelmessungen. Besonders zweckmäßig erweist sich ein solches Gerät bei der Messung physikalischer
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Eigenschaften strömender Materialien, wie Flüssigkeiten, Gase und strömender Festkörper.
Bei dem erfindungsgemäßen Gerät handelt es sich um · · einen Hohlkörper zur Führung des strömenden Materials
sowie um eine Yibrations einrichtung, um den Hohlkörper mit einer festen Frequenz in Schwingungen zu versetzen
und um empfindliche, jedoch genaue Messungen vorzunehmen.
Der Körper soll dabei eine Eigenfrequenz aufweisen, die sich von der festen Schwingungsfrequenz so unterscheidet,
daß der zu ermittelnde Wertebereich gemessen werden kann und der Hohlkörper mit einer von seiner
Eigenfrequenz unterschiedlichen Frequenz erregt wird. Es ist eine mit dem Körper verbundene Meßeinrichtung
für dessen Schwingungsamplitude vorgesehen, über die
eine Veränderung der Schwingungsamplitude des Körpers bei sich ändernder Masse des zu untersuchenden Materials
bestimmbar ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist eine mit dem Hohlkörper verbundene Einrichtung zur Veränderung bzw.
Verstellung der Eigenfrequenz, um den für den Betrieb
erforderlichen Frequenzbereich des Körpers auszuwählen.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Halterungsanordnung
für den schwingenden Körper vorgesehen, deren Eigen-
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frequenz wesentlich niedriger als diejenige der Vibrationseinrichtung
ist, so daß die Anregung des schwingenden Körpers nicht beeinträchtigt wird. Ferner ist
ein Schwingungsdetektor oder -meßeinheit vorgesehen, deren Eigenfrequenz wesentlich größer als diejenige des
schwingenden Körpers ist, um das Meßgerät empfindlich, zu machen.
Bei einem rohrförmigen Hohlkörper ist das eine Ende geschlossen und an der Vibrationseinrichtung befestigt,
während das andere.Ende im Bereich des Knotenpunktes
der Eigenfrequenz des Körpers gehaltert ist, so daß auch bei größeren Materialvolumen genaue Messungen vorgenommen
v/erden können. Falls ein solcher Körper zur Messung kontinuierlicher Strömungen dient, enthält er
einen Auslaß, während eine Eingangsleitung an einer von
dem Auslaß entfernten Stelle innerhalb des Körpers mündet.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Amplitudenbegrenzerschaltung
vorgesehen, die zwischen der Meßeinrichtung und dem Erreger angeschlossen ist, um letzteren abzuschalten
und dadurch eine Beschädigung des Vibrationskörpers zu vermeiden, wenn das Ausgangssignal einen
vorbestimmten Wert überschreitet.
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Das Iv-assenbestimmungseerät kann auch, einen U-förmig en
Körper zur Führung des K at er i als sov/ie eine Vibrationseinriclitung
enthalten, die mit dem bei einer bestimmten ' Frequenz zu erregenden Körper verbunden ist, wobei sich,
dessen Eigenfrequenz von der bestimmten Frequenz unterscheidet, so daß der U-föririige Körper in einem Frequenzbereich,
angeregt wird, bei dem Veränderungen der Masse ■ des Materials ermittelt werden können, ohne daß der
Körper mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Der U-förmige Körper besteht -beispielsweise aus einem Rohr. Die Betriebsfrequenz
und die Eigenfrequenzen der Bauteile des Gerätes bezüglich, der Eigenfrequenz des U-förmigen Rohres
werden so gewählt, daß ein empfindliches, genau
arbeitendes Instrument zur Bestimmung der Masse oder Massenveränderungen des durch das U-Rohr strömenden
Materiales entsteht.
Erfindungsgemäß soll auch eine Temperatur-Ausgleichseinrichtung
vorgesehen sein, um von Temperaturänderungen abhängige Verzerrungen des Ausgangssignals aus dem Gerät
zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann eine Hilfshalterung aus einer Legierung mit konstantem Temperaturausdehnungskoeffizienten
mit dem Körper verbunden sein. Eine andere Möglichkeit zur Beseitigung von Fehlmessungen aufgrund
von Temperaturänderungen besteht in der Verwendung eines
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verschiebbar mit dem Körper verbundenen Gewichtes, das zum Ausgleich einer Veränderung der Eigenfrequenz des
Körpers aufgrund von Temperaturänderungen verschoben wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der sie beispiels
weise wiedergebenden Zeichnungen näher erläutert, in denen übereinstimmende oder gleichwirkende Bauteile mit
gleichen Bezugsζeichen versehen sind.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in teilweise geschnittenem Aufriß, bei
der ein U-förmiges Rohr zur Bestimmung von Massenveränderungen eines hindurchströmenden
Mediums verwendet wird.
Pig. 2 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Betriebseigenschaften des rohrförmigen
Körpers.
Fig. J ist ein Blockschaltbild einer Amplitudenbegrenzerschaltung
zur Anwendung bei der Erfindung.
Fig. 4· zeigt teilweise im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der
ein zylindrischer Körper zur Materialmessung in Schwingungen versetzt wird.
Fig. 5 zeigt teilweise im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der
ein zylindrischer Körper mit einem Einlaß und einem Auslaß für die hindurchzuführende
Materialströmung versehen ist.
Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene Darstellung eines Zusatzgerätes zur Kompensierung
von Frequenzänderungen der Körperschwingungen aufgrund von Temperaturänderungen.
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Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform einer
T emp er atur-Komp ens at ions einrichtung.
Pig. 8 zeigt im Querschnitt und im vergrößerten Maßstab die Verbindung einer,. Auskleidung
mit dem Inneren des Körpers.
Fig» 9 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Frequenzbeziehungen der verschiedenen
Bauteile des erfindungsgemäßen Gerätes.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Hohlkörper zur Aufnahme des zu messenden Materials. Der Körper
und das in ihm aufgenommene Material wird mit einer von der' Eigenfrequenz unterschiedlichen Frequenz erregt, um
eine maximale Auflösung zu erzielen. Die Schwingungsamplitude des Körpers mit dem in ihm enthaltenen Material
wird dann als Anzeige für den Wert oder für die Wertänderung der physikalischen Eigenschaften der Masse des
zu untersuchenden Materials ausgewertet»
In Fig. 1 ist bei 10 eine Ausführungsform eines Gerätes
zur Bestimmung der Masse oder von Massenveränderungen von
Material gezeigt. Das Gerät 10 enthält einen Schwingungserzeuger, eine Einrichtung zur Ermittlung der Schwingungs-
amplitude eines Hohlkörpers 11, der von dem zu untersuchenden
Material durchströmt wird.
Der Schwingungserzeuger sowie die Schwingungsmeß- oder
-ermittlereinrichtung sind zur vereinfachten Herstellung
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und Wartung in einem Gehäuse 12 mit er gebracht, das
einen mittleren I-förmigen !Rohrabschnitt 14 und rohrförmige
Endabschnitte 16 und 18 besitzt. Der mittlere Abschnitt 14 besitzt an seinem freien Ende 20 ein
Außengewinde, über das eine Verbindung mit einer Halterung 21 herstellbar ist. An den mittleren Abschnitt
14 ist ferner ein nicht dargestellter mit Innengewinde
versehener Anschluß für eine nicht dargestellte elektrische Schaltung herangeführt, was im einzelnen weiter
unten beschrieben ist.
Die antreibende Schwingungserzeugereinheit ist in dem diäuseeiide 16 untergebracht. Eine Abschlußplatte 24,
die als Befestigung für den Schwingungserzeuger dient,
ist an dem lait'v „ ir^n Gehäuseendabschnitt 16 durch einen
Paßstift 28 oder d;.i-cr. andere geeignete Mittel gehaltert.
Eine rohrförmige, nichtaiagnetische Hülse 32 sitzt in
einer Senkbohrung in der Platte 24 und erstreckt sich in das Innere des Abschnittes 16. Innerhalb des Rohrabschnittes
16 umgibt eine elektromagnetische Wicklung die Hülse 32 und ist an dieser befestigt. Elektrische
Zuleitungen 40 und 44 von einer äußeren Stromquelle führen an die Wicklung 36, die einen Schwinganker 56
anregt, der mit einem Arm 55 eines aus Stangen bestehenden Kreuzes 5^ verbunden ist. Das Kreuz seinerseits ist
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mit dem Hohlkörper 11 verbunden und erregt diesen entsprechend
der Frequenz der äußeren Stromquelle.
In dem Gehäuseendabschnitt 18 ist die Einrichtung zur
Ermittlung der Amplitude untergebracht» Eine Platte dient als Halterung für diese Einrichtung und ist in
dem mittleren Bereich des Gehäuses durch einen Paßstift befestigt. In der Platte sitzt eine nichtmagnetische
Hülse 34 im Bereich des Gehäuseendes 18. Ein Permanentmagnet 42 ist innerhalb einer elektromagnetischen Wicklung
38 an einem Ende der nichtmagnetischen Hülse 34
untergebracht. An der Y/icklung 38 befinden sich elektrische
Verbindungen 46 und 48, die das in der Spule erzeugte Signal an eine elektrische Anzeige- oder Überwachungseinrichtung
heranführen. Eine geeignete elektrische Wicklung oder eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise
ein Steuerrelais oder ein nicht dargestellter Voltmesser kann zur Kontrolle der Masse des Materials
oder zur Anzeige der Veränderung in den Masseneigenschaften des zu untersuchenden Materials verwendet werden.
Diese Kontroll- oder Anzeigeeinrichtungen sind üblicher
Bauart und bilden keinen Teil der Erfindung.
Der Magnetanker 56 schwingt in Abhängigkeit von der
Frequenz der an die Wicklung 36 angelegten Spannung und
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bewirkt, daß auch die Verbindungsstange 54- und der
Körper 11 mit der Erregerfrequenz schwingen. An der Stange 54- sitzt ein Arm 53 j der in die rohrförmige
Hülse 34- der Amplitudenbestimmungseinheit hineinragt
und dort mit einem Magnetanker 58 versehen ist, der bei seinen Schwingungen in der Spule 38 eine Spannung
induziert, die für die Schwingungsamplitude des Körpers
11 kennzeichnend ist. Die Stange 54-, der Schwingungserzeuger
als auch die Schwingungsmeßeinrichtung können mit dem Körper 11 verbunden sein, um ihn in
einer beliebigen Richtung zu erregen. In Fig. 1 schwingt die Stange 54- in der Ebene, in der beide
Schenkel des U-förmigen Körpers 11 liegen, in dem sich das zu untersuchende Material befindet. Die
Amplitudenveränderung bei Auftreten einer Massenveränderung des durch den Körper 11 hindurchströmenden
Materials wird dann angezeigt«
Die Anker 56 und 58 sind fest mit dem Hohlkörper 11
verbunden. Die Arme 53 und 55 bestehen vorzugsweise
aus einem nichtmagnetischen Material, um den Schwinganker 56 und den Anker 58 voneinander zu isolieren und
eine gegenseitige magnetische Beeinflussung zu verhindern. Die Stange 54· besitzt eine Verlängerung 51» die
auf einem Gewinde eine Mutter 58 trägt. Wird die Lage
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der Mutter 58 auf dem Verlängerungsstück 51 verändert,
so läßt sich damit die Eigenfrequenz des Körpers 11 ändern, um das Gerät abzustimmen und das jeweils erforderliche
Betriebsverhalten zu erzielen.
Im Inneren des Mittelabschnitts des Gehäuses 14 sind Führungsteile 73 und 75 befestigt, in deren öffnungen
die Arme 55 bzw. 53 geführt sind. Die Führungen bestimmen die Schwingungsrichtung der Stangen 53 und 55 und bilden
gleichzeitig eine Sicherung gegenüber großen Ausschlägen.
Wird der Anker 56 in Abhängigkeit von dem über die
Leiter 41 und 44 zugeführten elektrischen Signal in Schwingungen versetzt, so schwingt auch der Körper 11
mit dem durch ihn hindurchströmenden Material in Abhängigkeit von diesem Signal. Der Amplitudenmeßanker 58
schwingt ebenfalls, und zwar in Abhängigkeit von der
Schwingung des Körpers 11, und induziert in den elektrischen Leitern 46 und 48 ein Signal, das der Schwingungsamplitude des Körpers 11 proportional ist. Um eine
Blockierung der Schwingungen des Körpers 11 zu vermeiden, ist er an Punkten 60 und 61 auf einer geeigneten Halterung
gelagert. Die Auflagestellen 60 und 62 liegen im Bereich der Knotenpunkte der Eigenfrequenz des Körpers
11; der Körper wird jedoch über den Anker 56 mit einer
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τοπ seiner Eigenfrequenz verschiedenen Frequenz erregt.
Falls es erforderlich sein sollte, größere Veränderungen
der Eigenfrequenz des Körpers 11 vorzunehmen als durch Verstellung der Mutter 58 möglich ist, so kann dies
durch ringförmige Versteilhülsen 64 und 66 geschehen,
die den Körper 11 mit dem halternden Gehäuse 21 verbinden.
Die Verstellhülsen 64 und 66 können in Richtung der unterbrochen gezeichneten Linien verschoben werden.
DieBetriebskennlinien des Körpers 11 lassen sich somit durch Veränderung der Eigenfrequenz beeinflussen. Größere
Verstellungen werden durch Verschieben der ring-
-' rmigen Hülsen 64 und 66 bezüglich des Körpers 11 vorgenommen,
um den erforderlichen Frequenzbereich für die
Messungen zu e ■:* ii-vien, während eine Feineinstellung
aufgrund der Verla,,. ^v-n^ dos Gewichtes der Mutter 59
auf dem Arm 51 erfolgt.
In Fig. 9 sind die zweckmäßigen Frequenzbeziehungen der verschiedenen Bauteile des Gerätes 10 untereinander
dargestellt. Das Schaubild zeigt die Kurven für das Resonanzverhalten der Bauteile, wobei die Kurve 120
für die Halterung 21 gilt, die Kurve 122 für den Körper 11 und die Kurve 124 den Freyuenzverlauf der Vibrations-
und Meßeinheit einschließlich der Stange 54 und der
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Yerbindungsorgane wiedergibt. Man erkennt, daß bei der
Kurve 120 die Resonanz bei einer wesentlich geringeren Frequenz als bei der für den Körper 11 maßgeblichen
Kurve 122 auftritt. Die Schwingungen der Halterung 21 beeinträchtigen somit das Ausgangssignal gemäß der
Kurve 122 nicht, denn bei dieser Kurve treten Veränderungen in Abhängigkeit von Veränderungen der durch den "
Körper 11 hindurchströmenden Masse auf. Die Eigenfrequenz der mit der Stange 54- verbundenen Schwingungserregerund
Meßeinheit wird so gewählt, daß sie gemäß der Kurve 124 wesentlich höher als die Eigenfrequenz des Körpers
11 liegt. Der Unterschied der Eigenfrequenzen der verschiedenen Bauelemente des Gerätes 10 bietet daher
Sicherheit, daß die jswells zu messende Masse des Körpers
11 (einschließlich des Materials) nicht in einer die Messung verfälschenden Weise beeinflußt wird.
In Fig. 2 zeigen zwei Betriebskennlinien 76 und 78 das
Ansprechverhalten des Körpers 11 auf verschiedene Frequenzen oder den Ausgangswert der Spannung aus der
Wicklung 58.in Abhängigkeit von der Frequenz des Körpers 11. Die maximale Empfindlichkeit tritt an den Soheitelpunkten
der Kurve auf, d.h. dann, wenn der Körper 11 bei seiner Eigenfrequenz schwingt. Aus verschiedenen
Gründen ist es jedooh nachteilig, bei der Eigenfrequenz
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zu arbeiten. Einmal ergibt sich bei der Eigenfrequenz ein Bereich mit sehr schlechter Auflösung, was zu
einem instabilen Ausgangssignal führt. Da die Betriebskennlinie bezüglich der Eigenfrequenz symmetrisch verläuft,
so befindet sich beiderseits des Wertes der Eigenfrequenz jeweils ein Punkt, bei dem das gleiche
Ausgangssignal abgegeben wird, dem jedoch verschiedene Betriebsfrequenzen zugrundeliegen, so daß sich für die
Messung zwei verschiedene Massenwerte für das Material innerhalb des Körpers 11 ergeben würden. Für die Betriebskennlinie
76 in Fig. 2 ist es zweckmäßig, den Körper 11 mit Frequenzen im Bereich von A bis B zu
erregen, der von der Eigenfrequenz abseits liegt. Wenn der Körper oberhalb seiner Eigenfrequenz erregt wird,
liegt am Funkt E ein gleiches Ausgangssignal wie am Punkt B vor, wobei jedoch der Unterschied der Betriebsfrequenz erkennbar groß ist. Es ist zweckmäßig, die
Erregung des Körpers 11 innerhalb des Bereiches von A bis B auf einer Seite der Kurve bezüglich der Eigenfrequenz
zu beschränken. Ist eine größere Empfindlichkeit erwünscht, so kann die Eingangsspannung an der Wicklung
36 so weit erhöht werden, daß das Gerät 10 auf der Kennlinie 78 im Bereich von O bis D arbeitet und dadurch
ein unterscheidungsfähigeres Ausgangssignal für die
gleichen Frequenzveränderungen liefert.
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Ein weiterer Grund, den Körper 11 nicht bei seiner Eigenfrequenz zu betreiben, ist darin zu sehen, daß
• bei einer erhöhten Antriebsleistung zur Beseitigung äußerer Störeinflüsse der metallische Körper 11 ermüdet
bzw. beschädigt wird. Der Körper 11 sollte deshalb weit von der Eigenfrequenz entfernt erregt werden,
damit eine größere Antriebsleistung verwendet werden kann und dabei nicht die große Empfindlichkeit gegenüber
äußeren Einflüssen und Ermüdungserscheinungen auftritt. Aus diesem Grunde werden obere Grenzen vorgeschlagen,
oberhalb derer der Körper 11 nicht erregt werden sollte; bezüglich der Kurve 76 liegt die maximale
Amplitude bei der Linie 80 und bezüglich der Kurve 78 bei der Linie 82.
Gemäß Fig. 3 ist eine Antriebsschaltung 84 vorgesehen,
welche die erforderliche Spannung der Spule 36 des
Gerätes 10 zuführt, während eine Meßschaltung 86 zum Empfang des Aus gangs signals aus der Spule 38 vorgesehen
ist. Um die Schwingungsamplitude unterhalb derer der Eigenfrequenz zu begrenzen, ist eine überwachungsschaltung
80 vorgesehen, die das Ausgangssignal aus dem Gerät 10 empfängt und bei Auftreten eines zu großen
Amplitudenwertes, beispielsweise oberhalb der Linien
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80 und 82 in Fig. 2, die Antriebsschaltung 84 abschaltet
und, falls erforderlich, ein nicht dargestelltes Alarmgerät in Tätigkeit setzt.
Falls der Bereich der anzustellenden Messungen vergrößert werden soll, kann die.Eigenfrequenz des Körpers 11 durch
Verstellung der ringförmigen Hülsen 64 und 66 erhöht werden, indem man letztere nach oben in Richtung der
gestrichelten Linien so verschiebt, daß ein breiterer Frequenzbereich entsprechend der Kurve 90 in Fig. 2 zwischen
den Punkten G. und H zur Verfugung steht.
Der Körper 11 gemäß Fig. 1 bis 8 besitzt eine Auskleidung
92. Der U-förmige Körper gemäß Fig. 1 eignet sich zum
Anschluß an gewöhnliche Betriebsleitungen. Das unter Druck strömende Material kann auf diese Weise wirksam
gemessen werden, ohne daß der Fluß bzw. die Verarbeitung des strömenden Materials unterbrochen zu werden braucht.
Falls es sich um korrodierende Materialien handelt, kann eine geeignete Auskleidung beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen
verwendet werden, die sich leicht in das Rohr 11 einschieben läßt und es dadurch gegen Korrosion
schützt. Geeignete Anschlußstücke 94 umfassen die aufge-'
weiteten Enden des Rohres 11 und der Auskleidung 92, in
denen ein Verbindungsstück 96 mit einer konischen An-
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schlußfläche 98 sitzt, die mit einem Ge.genkonü"s 100
von außen zusammenwirkt, um die aufgeweiteten Enden des Rohres 11 und der Auskleidung 32 festzuklemmen
und eine gegen Korrosion schützende Abdichtung herzustellen.
Andere Ausführungsformen des vorbesehriebenen Gerätes
umfassen eine Vibrations einrichtung, welche die Schwingungen an einen Materialführungskörper weitergibt, der
seinerseits die "Schwingungen auf die Amplitudenmeßeinrichtung
überträgt, so daß wiederum die erforderlichen Werte und Veränderungen der Masse des in dem Körper
enthaltenen Materials gemessen werden können. 3?ig. 4- und
5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei hier die entsprechenden Bezugszeichen aus Fig.
jeweils mit dem Zusatz "a" und "b" -versehen sind.
Gemäß Fig« 4- ist ein Hohlkörper 11a in Form eines geraden
Rohres vorgesehen. In diesem Fall gelangt das zu untersuchende
Material in größerem Volumen in den Körper 102, so daß kleinere Veränderungen in der Masse des Materials
ermittelt werden können als in dem U-Rohr nach Fig. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich auch zur Bestimmung
der Material- oder Füllhöhe eines Gefäßes, wenn das
909813/12U
Gerät an der Seite des Gefäßes im Bereich des zu messenden
Pegels angebracht wird.
Ist gleichzeitig ein größerer Materialaufnahmekörper und zusätzlich die Messung von Massenveränderungen
eines strömenden Materials erforderlich, so kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 Anwendung finden. Ein
Zylinder 104· wird bezüglich der Basis der Halterung 21b in Schwingungen versetzt. Er enthält ein Eingangsrohr 106 und ein Ausgangsrohr 108, von denen eines an
der einen Seite und das andere an der entgegengesetzten Seite des Zylinders 104· endet. Beide Rohre besitzen in
Radialrichtung einen Abstand voneinander, um sicherzustellen, daß das Material innerhalb des Zylinders fortlaufend
aufgrund der Strömung durch Einlaß 106 und. Auslaß 108 ausgetauscht wird, um eine genaue Messung
von Massenveränderungen vornehmen zu können. Torzugsweise sind Einlaß und Auslaß an dem bezüglich der TTerbindung
mit der Schwingungseinheit entgegengesetzten Ende des Zylinders 104- befestigt, damit die Schwingungen
des Körpers 104- und damit die Messungswerte nicht beeinträchtigt werden.
Sämtliche Ausführungsbeispiele der Erfindung können auf
einem Halterungsstativ 110 wie in i*ig. 5 befestigt eein.
909813/12U
Die Haltexmng 21 und auch die anderen gezeigten Befestigungen
bzw. Stative sollten eine Eigenfrequenz besitzen, die wesentlich niedriger als die Eigenfrequenz
des Körpers ist» damit diese zu Schwingungen angeregt werden, welche sich den Schwingungen des Meßkörpers
überlagern könnten.
Da der Schwingungskörper aus Metall besteht, ändert sich der Elastizitätsmodul bei Temperatur änderungen,
und somit ändert sich auch die Eigenfrequenz und die Betriebskennlinie bei veränderten Temperaturen. Fig. 6
steigt eine temperatur kompensierende Absteifung 110,
die an ihrem einen Ende mit der Halterung 21 verbunden
und üJ-fönaig ausgebildet ist, wobei die Enden des T
mit den Schenkeln des U-förmigen Körpers 11 verbunden sind. Die !Temperatur kompensierende Versteifung 110
"besteht aus einer Metallegierung mit einem konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie sie beispielsweise
unter den Warenzeichen Ni-Span-0 oder Iso-Elastic bekannt
ist. Wenn sich bei einer Temperaturänderung auch
die Eigenfrequenz des Körpers verschiebt, werden durch die vorgeschriebenen Maßnahmen die sonst schädlichen
Einflüsse der Veränderung der Eigenfrequenz beseitigt,
da auch der Halteteil der Absteifung 110 mitschwingt und den Körper 11 stützt.
9098 13/ 12H
U98548
Fig. 7 zeigt eine andere Ausführung einer Temperaturausgleichseinrichtung,
die bei dem Gerät nach Fig. 1
zur Anwendung kommen kann. Eine auf dem Rohr 11 verschiebbare Muffe 112 ist nachgiebig in der Richtung
vorgespannt, in der sie eine Verringerung der Eigenfrequnjez
des Körpers hervorrufen würde. Dies erfolgt über eine Druckfeder 114 mit einem konstanten Temperaturausdehnungskoeffizienten.
Der Bewegung der Abstimm-Muffe wirkt eine aus Eisen bestehende Druckfeder 116 entgegen,
die bei Temperaturerhöhungen an Festigkeit verliert. Bei Temperaturerhöhungen wird somit die Eigenfrequenz
des Körpers 11 verringert. Da jedoch gleichzeitig die von der Feder 116 ausgeübte Kraft abnimmt, wird die
Muffe 112 aufgrund der Feder 114· in Sichtung der Lagerstellen 62 und 64· verschoben, so daß die Eigenfrequenz
des Körpers 11 auch bei Temperaturveränderungen erhalten bleibt.
Gemäß Fig. 1 ist über die Leiter4-1 und 44 eine elektrische
Stromquelle an die Spule 36 angeschlossen, die den Schwingungserzeuger für dön zu erregenden Körper 11 darstellt.
Wird die Spule 36 durch Wechselstrom erregt, so wird der Schwinganker 56 angezogen und wieder freigegeben,
so daß die Yerbindungsstange 54- mit der Frequenz
der Stromquelle schwingt. Die Schwingung des Armes 54
9098 1 3/ 1.2 U
-ZQ-
wird auf den Hohlkörper 11 übertragen. -Die Schwingung
des Hohlkörpers 11 überträgt sich jedoch zurück auf die Stange 54 und auf den inker 58. Die Abfühlspule
erzeugt somit eine Spannung aufgrund der Schwingungen des Ankers 58 in dem Feld des Permanentmagneten 42. Das
von der Abfühlspule 38 erzeugte Signal wird über Leitungen
46 und 48 an eine beliebige elektrische Schaltung mit einer nicht dargestellten Anzeige- oder Kontrolleinrichtung
geführt. Der Wert oder die Veränderungen der Masse des Materials, das durch den Hohlkörper 11 strömt,
beeinflußt die Schwingungsamplitude des Hohlkörpers 11}
was wiederum auf die Amplitude des Ankers 58 zurückwirkt.
Vorzugsweise wird eine feste !frequenz verwendet, beispielsweise
eine Frequenz von 60 Hertz, so daß der Körper 11 mit 120 Perioden pro Sekunde schwingt. Man erkennt
aus I1Ig. 2 j daß die Eigenfrequenz des Körpers 11
von diesem Betriebswert abseits liegt. Die Kurve 90 zeigt eine tgrpische Betriebskennlinie für eine Frequenz
von 60 Hertz, bei der von dem Körper 120 Schwingungen pro Sekunde ausgeführt werden, wogegen dessen Eigenfrequenz
bei 140 Hertz liegt. Der Betriebsbereich für das zu untersuchende Material liegt in diesem Fall zwischen
den Punkten G und H. Die Auswahl der Eigenfrequenz des Körpers erfolgt durch Verstellung der Hülsen 64 und 66
909813/12U
längs der Schenkel des Körpers 11, v/eil dadurch der
Auflagerpunkt und die Steifigkeit der Schenkel des Körpers verändert werden. Eine feinere Verstellung
erfolgt über die Mutter 58 auf der Verlängerung der
Stange 51· Die Eigenfrequenz des Körpers hängt natürlich
von der Schwingungsrichtung ab. Erfolgen die Schwingungen entsprechend der Darstellung in Pig. 1,
so liegt eine relativ hohe Eigenfrequenz im Vergleich.
zu dem Fall vor, wenn der Körper in Querrichtung zur
Ebene seiner Schenkel erregt würde.
Im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 2 und ist darauf hingewiesen worden, daß die Schwingungsamplitude des Körpers 11 zweckmäßigerweise begrenzt
wird, um den metallischen Körper vor Ermüdungserscheinungen zu schützen. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. $
eine besondere Steuerschaltung vorgesehen. Falls das durch den Körper strömende Material eine plötzliche
.Änderung erfährt, die zu einer wesentlichen Erhöhung der Sehwingungs amplitude führt, wird die Überwachungsschaltung
88 die Erhöhung im Ausgangssignal feststellen
und im Anschluß daran die Antriebsschaltung 84 abschalten, um eine Beschädigung des Schwingungskörpers 11 zu.
verhindern.
80981 3/12U
Fig. 9 zeigt, daß die Eigenfrequenz der einzelnen Bauteile des Gerätes 10 in der Weise zueinander in
'Beziehung gesetzt worden sind, daß eine maximale Empfindlichkeit erzielt und das Ausgangsmaterial
nur bei Massenänderungen des durch den Hohlkörper 11 strömenden Materials beeinflußt wird. Zu diesem
Zweck ist die Halterung 21 mit einer niedrigen Eigenfrequenz gemäß der Kurve 120 versehen, welche
sich nicht mit der Eigenfrequenzkurve des Hohlkörpers 11 überschneidet. In gleicher Weise ist auch die
Sehwiagungsmeßeinheit, zu welcher die Stange 24 und
die mit ihr verbundenen Bauteile gehören, mit einer hohen Eigenfrequenz gemäß Kurve 124 versehen, welche
sich nicht mit der Schwingkennlinie 122 des Hohlkörpers 11 überschneidet. Aufgrund dieser Auswahl der
Eigenfrequenzen der Bauelemente des Gerätes 10 sowie aufgrund der Tatsache, daß der Hohlkörper 11 nicht
im Bereich seiner Eigenfrequenz erregt wird, können die Schwingungen des Körpers 11 auch nicht duröh
äußere Einflüsse verfälscht oder beeinträchtigt werden, und zur Erregts&g des Körpers 11 kann eine ausreichend
große Leistung verwendet werden, ohne daß das Ausgangssignal durch äußere Einflüsse verfälscht würde»
909813/1214' BÄD 0RiQ1NAU
H98548
Die -zylindrischen Körper 102 und 104- gemäß Fig. 4 bzw.
5 können als Ersatz des in Pig. 1 dargestellten U-förmig
gebogenen Rohres dienen und eine größere Materialmenge aufnehmen, so daß sich auch kleinereYeränderungen
in dem Material leichter ermitteln lassen und ein
empfindlicheres Gerät entsteht. Damit sichergestellt ist, daß das in dem zylindrischen Körper strömende
Material bei der Untersuchung einer Strömung sich an allen Stellen fortlaufend durch nachströmendes Material
erneuert, ist an den Hohlkörper 104- eine Auslaßleitung 108 und eine Einlaßleitung 106 angeschlossen, wobei die
Einlaßleitung 106 an einer von dem Auslaß 108 entfernten
Stelle endet. Da auf diese Weise das Strömungsmedium über den Einlaß 106 an der einen Seite und an der
anderen Seite des Körpers 104· in den Auslaß 108 strömt,
erfolgt ein periodischer Materialaustausch.
lemperaturveränderungen führen zwangsläufig zur Veränderung
der Eigenfrequenz des Körpers 11, weshalb eine Zusatzeinrichtung zum Ausgleich der iEemperaturveränderungen
eingebaut werden kann. Gemäß Pig. 6 ist ein I-förmiger Halteteil 111 aus einer Legierung mit konstantem
Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgesehen, der den Körper 11 zusätzlich abstützt. Der gegenüber Temperaturveränderungen
relativ unempfindliche zusätzliche
909813/1214
-H98548
Halteteil 111 stellt sicher, daß die-Temperatur einen
vergleichsweise kleinen Einfluß auf die Veränderung der Eigenfrequenz der aus dem Hohlkörper 11 und dem
Halteteil 111 bestellenden Einheit ausübt.
Bie Abstimm-Muffe 112 in Fig. 7, die verschiebbar auf
dem Rohrkörper 11 sitzt, bewirkt durch eine Verschie- ·
bung in einer bestimmten Richtung den erforderlichen Ausgleich für Temperatur änderungen. Falls eine Temperaturveränderung
die Eigenfrequenz des Körpers 11 erhöht oder erniedrigt, entsteht in der aus Eisen
oder Stahl bestehenden Feder 116 eine gleichgerichtete Veränderung. Da die Feder 114 andererseits aus einer
Legierung mit konstantem Wärmeausdelmungskoeffizienten
besteht, wird deren Verhalten nicht von {Demperaturänderungen
beeinflußt; sie istjdaher in der Lage» die Abstimm-Muffe 112 gegen die Kraft der Feder 116 zu
verschieben und dadurch die Eigenfrequenz der aus Abstimm-Muffe 112 und Hohlkörper 11 bestehenden Einheit
konstant zu halten.
9098 1 3/ 12 U.
Claims (12)
1. Massenbestimmungsgerat für strömende Stoffe, bei
dem die Strömung durch einen Hohlkörper geführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (11) im Bereich des Knotenpunktes seiner Eigenfrequenz durch Einrichtungen
(21) gehaltert ist, deren Eigenfrequenz wesentlich geringer als diejenige des Körpers ists daß mit
dem Körper eine Schwingungsübertragungs- bzw. -erregereinrichtung
(56) verbunden ist, die mit einer feststehenden Frequenz betrieben wird, welche sich iron der
Eisenfrequenz des Körpers so weit unterscheidet, daß der Körper in keinem lall aufgrund des in ihm enthaltenden
Materials im Bereich dessen zu messender Massenwerte bei seiner Eigenfrequenz schwingt» und daß mit
dem Körper (11) eine iciplituaen-Meßeiiiriöhtung (58)
verbunden ist, über die sich Veränderungen der Körperschwingungen ermitteln lassen, wenn sich die Masse des
in dem Körper strömenden Materials verändert·
909813/1214
2. Gerät nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
diö Schwingungsübertrager- bzw. SchwingungserregereiB.-
* richtung einen mit dem Hohlkörper (11) verbundenen Schwinganker (56) aufweist und an dem Körper ferner ein
Schwingungaamplituden-Meßanker (58) befestigt ist, der
ScJhwingungsveränderungen des Körpers bei Yeränderungen
d©r Masse des in dem Körper strömenden Materials ermittelt j wobei Schwinganker (56) und Meßanker (58) jeweils
eine Eigenfrequenz aufweisen> die sich wesentlich von
der Eigenfrequenz des Hohlkörpers unterscheidet, und daß eine Einrichtung (86) zur Messung der Schwingungsamplitude des Meßankers vorgesehen ist.
3» Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß <ä.$r Hohlkörper sin an seiner einen Seite geschlossenes
und an seiner anderen Seite offenes Rohr (102) zur
Aufnahme des strömenden Materials ist, wobei das offene Eade des Rohres im Bereich der Halterung liegt und die
geschlossene Seite des Rohras mit dem Schwinganker verbunden ist (!ig. 4).
4* §erät nacli Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß CL&s Körper aus einem Rohr (104) basteht, bei des das
&%&q Eade geschlossen und mit dem Schwingux-gserzeuger
909813/ 12U
BAD
verbunden und das andere Ende in der Halterungseinrichtung
(21b) aufgenommen ist und einen Auslaß (108) besitzt, während ein Zulauf rohr (106) in das Innere
des Rohres (104) geführt ist, das an einer von dem Auslaß (108) entfernten Stelle innerhalb des Eohres
endet.
5· Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch, gekennzeichnet,
daß mit dem Körper eine Abstimmeinriehtung verbunden
ist, mit der seine Eigenfrequenz einstellbar ist.
6. Gerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstimmeinriehtung eine ringförmige, zwischen Halterung (21) und Körper (11) angeordnete Hülse (62, 64)
ist.
7« Gerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstimmeinriehtung ein mit dem Körper verbundenes, verstellbares Gewicht (58) enthält.
8. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch, gekennzeichnet,
daß eine Temperaturausgleichseinriehtung vorgesehen ist, die aus einem länglichen Bauteil (110) aus einer Legierung
mit konstantem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, der an einem Ende mit der Halterung (21) und an
90981 3/ 12U
BAD
einem anderen Ende mit dem Hohlkörper (11) verbunden
ist, diesen abstützt und zusammen mit ihm schwingt, um dadurch auf Temperaturveränderungen zurückgehende
Einflüsse auf den Körper zu verringern.
9· Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturausgleichseinrichtung ein verschiebbar
mit dem Körper verbundenes Gewichtsglied (112) sowie eine bei Temperaturanstieg schwächer werdende
Eisen- oder Stahlfeder (116) enthält, welche,an einer Seite des Gewichtsgliedes anliegend, dieses in
einer Richtung drückt und die Eigenfrequenz des Körpers (11)..und des mit ihm verbundenen Gewichtsgliedes (112)
vergrößert, während an der anderen Seite des Gewichtsgliedes eine Feder (114) mit konstantem Wärmeausdehnungskoeffizienten
anliegt, die in der entgegengesetzten Sichtung zu der Eisenfeder (112) wirkt.
10. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Amplitudenbegrenzerschaltung
(88) vorgesehen" ist, die zwischen der Amplitudenmeßeinrichtung
(86) und dem Schwingungserreger (84) angeschlossen ist und bei einem Ausgangssignal oberhalb
eines vorbestimmten Wertes den Erreger abschaltet.
909813/121-4 fiAri ΛΒΙ
BAD ORfQiNAL
H98548
11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlkörper (11) U-förmig ausgebildet ist und einen T-förmigen Bügel (53? 54-» 55) umfaßt, dessen
Ende mit dem U-förmigen Körper verbunden ist, daß an einem Arm (^) des T-förmigen Bügels der Schwinganker
(56) und an dem anderen Arm (53) äer Amplitudenmeßanker
(58) zur Ermittlung von SchwingungsVeränderungen
des Körpers (11) befestigt ist, wobei besondere Einrichtungen (86) für die Messung der Schwingungsamplitude
des Meßankers vorgesehen sind, und daß der I-förmige Bügel und die Anker eine Eigenfrequenz besitzen,
die sich wesentlich von der Eigenfrequenz des U-förmigen Körpers unterscheidet.
12. Gerät nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung (21) eine Eigenfrequenz
besitzt, die sich wesentlich von der Eigenfrequenz des Hohlkörpers (11) unterscheidet.
13- Gerät nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Führungseinrichtung (73» 75) vorgesehen ist, in der die Arme bzw. Seitenglieder (535 55) des
QJ-f örmigen Bügels in Längsrichtung schwingen können,
während Querschwingungen der Arme begrenzt bzw. unterbunden sind.
9 0 9 8 1 3 / 1 2 U
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