DE1498548A1

DE1498548A1 - Massenbestimmungsgeraet

Info

Publication number: DE1498548A1
Application number: DE19641498548
Authority: DE
Inventors: Banks William Burkhardt
Original assignee: Automation Products Inc
Current assignee: Automation Products Inc
Priority date: 1963-08-12
Filing date: 1964-08-11
Publication date: 1969-03-27
Also published as: US3339400A; DE1498548B2; NL6409298A; GB1052644A; BE684190A

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

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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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»

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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

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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.

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Claims

Patentansprüche asaaaaanssBBBaBBassssaBaaaaaa

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 ist_s 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·

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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

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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

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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.

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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.

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