DE2445904A1

DE2445904A1 - Vibrationsdensitometer

Info

Publication number: DE2445904A1
Application number: DE19742445904
Authority: DE
Inventors: Charles Eveleigh Miller
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-10-04
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1975-04-10
Also published as: US3878710A; GB1480276A; FR2246861A1; IT1022587B; FR2246861B1; CA1010987A; JPS51115887A

Description

Deutsche ITT Industries GmbH CE. Miller -

78 Freiburg, Hans-E'ur.te-Str. 19 20. September 1974

Go/re

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I.BR.

Vibrationsdensitometer

Auf dem Gebiet der Entwicklung von Vibrationsdensitometern sind in der Vergangenheit beträchtliche Fortschritte gemacht worden. Zum bekannten Stand der Technik wird in diesem Zusammenhang auf die US-PS 3 677 067 und aie DT-OS 2 215 568 verwiesen. Es war jedoch schwierig, herkömmliche Densitometersonden in einer Flüssigkeit zu eichen und genaue Dicntemessungen in einer zweiten von der ersten Flüssigkeit sich wesentlich unterscheidenden Flüssigkeit vorzunehmen. Ein weiterer Mangel gewisser Vibrationsdensitometer herkömmlicher Art war ferner ihr schmaler Bereich.

Die Erfindung batrifft ein Vibrationsdensitometer mit einer Densitometersonde, in deren Gehäuse eine Schwingplatte befestigt ist, die durch eine elektrische Erregeranordnung für Schwingungen einrichtbar ist und deren Schwingungen mittels eines in ihrer Nähe innerhalb der zu untersuchenden Flüssigkeit angeordneten elektromechanischen Wandlers in elektrische Signale umgesetzt v/erden.

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Die erwähnten Nachteile der bekannten Vibrationsdensitometer werden erfindungsgemäss dadurch behoben, dass die Schwingplatte blattfederartig an einem Ende fest zum Gehäuse gehalten und am anderen Ende freischwingend ausgebildet ist, dass der Ausgang des· Wandlers über einen Rückkopplungskreis mit elektrischer Erregeranordnung verbunden ist, sodass die Schwingungen der Schwingplatte entdämpft sind, und dass die Frequenzänderung der elektrischen Signale in ein Ausgangssignal umgewandelt wird, dessen Grosse der Dichte der Flüssigkeit proportional ist.

Beim Vibrationsdensitometer nach der Erfindung wird vorzugsweise das Ausgangssignal an eine Auswertanordnung, beispielsweise an ein⁵ in Dichteeinheiten geeichtes Voltmeter, angelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert,

deren Fig. 1 die räumliche Ansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Densitometersonde,

deren Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1,

deren Fig. 3 die perspektivische Ansicht einer Gruppe von Einzelteilen der Sonde der Fig. 1 vor dem Zusammenbau,

deren Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3,

deren Fig. 5 eine vergrösserte Längsschnittansicht eines Teils der Sonde gemäss der Fig. 1,

deren Fig. 6 eine Längsschnittansicht entlang der Linie 6-6 der Fig. 2 eines Teiles der für eine elektrische

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Verbindung vorgesehenen Befestigungsmittel, welches jedoch prinzipiell auf andere Weise als in Fig. 2 gezeigt, mit der Sonde verbunden ist und

deren Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Densitometersonde nach der Erfindung bedeuten.

,Die Densitometersonde 10 der Fig. 1 weist einen Schaft 11 mit einem Gehäuse am oberen Ende und einem Montagerohr 13 am unteren Ende sowie eine mittels Schrauben 15 mit dem oberen Ende des Gehäuses 12 verbundene elektrische Kontaktierungsvorrichtung 1.4 auf. Zur Montage der Densitometersonde 10 in einem Hohlzylinderansatz 1-8 der Rohrleitung sind gemäss der Fig. 2 Rohrfittings 16 und 17. auf dem Schaft 11 vorgesehen.

Im Montagerohr 13 ist senkrecht zur Achse des inneren Rohres eines magnetostriktiven. Hohlzylinders eine aus rostfreiem Stahl bestehende Schwingplatte 20' angebracht. Die Schwingplatte 20' kann im Bedarfsfalle auch symmetrisch zur Achse das die Schwingplatte 20" aufnehmenden äusseren Zylinders befestigt werden.

Der Schaft 11 nimmt nicht nur ein inneres Rohr 21,sondern auch noch ein magnetisches äusseres Rohr 23 auf, wie die Fig. 2 veranschaulicht. Gemäss der Fig. 2 ist als Antriebsspule eine Magnetspule 24 vorgesehen, deren Windungen auf einem aus Nylon bestehenden Spulenkörper 25 gewickelt sind, der durch Preßsitz auf die Aussenfläche des inneren Rohres 21 befestigt und im Raum zwischen dem inneren Rohr und dem äusseren Rohr angeordnet ist. Somit wird die Magnetspule 24 grundsätzlich auf dem inneren Rohr in unverrückbarer Lage gehalten, obwohl dieses hinsichtlich des Bauelements nach der Erfindung nicht unbedingt kritisch ist.

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Wie die Fig. 3 bzw. 2 veranschaulichen,sind die Platte 20 ·' und die Platte 20 ' zwischen zwei Halbzylindern 26 und gelagert. Bei der Sonde nach der Erfindung werden beispielsweise die Längsseiten der Platte 20 zwischen den Halbzylindern 26 und 27 unter einem'Druck 1400 kg/cm^ gepresst, indem die Anordnung der Fig. 3 in den äusseren Zylinder 22 mit Spiel eingesetzt wird, nachdem dieser äussere Zylinder erhitzt wurde.

Die vier Ansätze 28 des Halbzylinders 26 und die vier Ansätze 29 des Halbzylinders 27 verhindern eine Längsbewegung der Platte 20 zwischen den Halbzylindern 26 und 27, obwohl dies im Hinblick auf den Klemmdruck auf die Platte zwischen den Halbzylindern 26 und 27 nicht notwendig ist.

Sowohl die Halbzylinder 26 und 27 als auch die: Platte können mit einer Abflachung oder Ausnehmung zur Aufnahme des piezoelektrischen Kristalls 30 versehen werden.Wie die Fig. 2, 3 und 4 zeigen, hat der Kristall 30 elektrische Zuleitungen 31 und 32, welche entlang den Halbzylindern und 27 in Nuten 33 bzw. 34 zu einem Punkt verlaufen, wo sie in den inneren Hohlraum des inneren Rohres 21 eintreten. Dieser Durchlass wird am unteren Ende des inneren Rohres angebracht, wie die Fig. 2 zeigt. Zwischen den Ansätzen und 29 der Fig. 3 liegt ein Abstand, um sicherzustellen, dass der Druckkontakt der Halbzylinder 26 und 27 auf die Platte 20 aufgrund des Preßsitzes recht hoch ist.

Be.v 37 ist gemäss der Fig. 2 flüssigkeitsdicht am äusseren Zylinder 22 eine Nabe angeschweisst. Obwohl das Bauelement nach der Erfindung nicht überall flüssigkeitsdicht zu sein braucht, kann innerhalb des inneren Rohres 21

eine Glas-Metall-Einschmelzung oder eine andere dichte Verbindung vorgesehen werden. Bevor der erwähnte Presssitz hergestellt wird, können im Bedarfsfalle· der Kristall und diejenigen Teile der Zuleitungen 31 in den Nuten 33 bzw. 34 in ein Epoxydharz eingegossen werden. Nach Herstellung

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des Preßsitzes und Zusaininenfügung der gesamten Anordnung kann diese durch Aufbringen eines Bindemittels auf sämtliche Strukturen innerhalb des äusseren Zylinders ■weiterbehandelt werden. Es kann jedes der herkömmlichen Verkittungsverfahren einschliesslich des Aufbringens eines unter dem Namen "Locktite" bekannten Bindemittels durchgeführt werden.

Die Nabe 36 kann bei 37, wie bereits erwähnt, flüssigkeitsdicht mit dem äusseren Zylinder 22 verschweisst werden. Ferner kann das äussere Rohr 23 auf die Nabe -36 geschraubt und mit dieser flüssigkeitsdicht bei 38 verschweisst werden. Für alle praktischen Anwendungen kann somit die Nabe 36 mit dem äusseren Rohr 23 als einheitlicher Teil angesehen werden.Die Nabe 36 kann beispielsweise aus magnetischem Materia.1 hergestellt werden. Unter "magnetischem Material" soll auch rostfreier Stahl fallen. Das innere Rohr 21 ist jedoch sowohl magnetisch als auch magnetostriktiv. Abgesehen davon ist zu berücksichtigen, dass das innere Rohr 21 der Schwingungserzeugung dient, so dass, falls ein Merkmal der Erfindung ohne ein anderes verwendet wird, die Verwendung von magnetostriktivem oder magnetischem Material nicht zwingend ist, um ein Schwingen hervorzurufen.

Das innere Rohr 21 weist einen Ringansatz 39 mit einer Schulter 40 auf. Das äussere Rohr 23 zeigt eine untere Durchbohrung 41, welche gegen die obere Gegenbohrung durch eine Ringschulter 43 abgesetzt ist. Schultern 40 und 43 liegen einander an. Das innere Rohr 21 steht stets von der Schulter 40 gegen das untere Ende des inneren Rohres unter Druck in Längsrichtung. Dies bedeutet, dass das innere Rohr 21 sowohl bei angeregter als auch bei nicht angeregter Magnetspule 24 unter Druck steht. Die Magnetspule 24 v/ird mit Wechselstrom betrieben, der somit hauptsächlich das Ausmass des Druckes auf das innere Rohr

ändert. _{Λ η}

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Der Ringansatz 39 weist ein Loch 44 auf, durch das die elektrischen Zuleitungen der Magnetspule 24 vom Ort der Magnetspule 24 nach oben zwischen den Rohren 21 und 23 geführt werden können.

Die Art und Weise, in der die Densitormetersonde 10 in der Rohrleitung 19 angebracht ist, ist besser aus Fig. 5 ersichtlich. Zur Fig. 5 ist zu bemerken, das? das äussere Rohr 23 einen radial nach aussen weisenden Vorsprung 45 zeigt, gegen den beiderseits kreisringförmige Gummiringe 46 und mittels Rohrfittings 16 bzw. 17 gepresst werden. Der Rohrfitting 17 wird in den Hohlzylinderansatz 18 eingeschraubt und mit diesem gemäss der Fig. 2 mittels einer herkömmlichen Dichtungsmasse 48 dicht verbunden. Zu Fig. 5 ist zu bemerken, dass der Fitting 16 bei 49 in den Fitting 17 eingeschraubt ist. Das Ausmass, in dem die kreisringförmigen Gummiringe und 47 zusammengepresst werden, ist daher von der Lage des Fittings 16 abhängig. Der Fitting 16 wird beispielsweise durch einen Mutterschlüssel solange gedreht, bis der erforderliche Druck .auf die kreisringförmigen Gummiringe erreicht ist.

Zur Ausbildung gemäss Fig. 5 ist ferner zu bemerken, dass lediglich kreisringförmigen Gummiringe mit dem äusseren Rohr 23 in Berührung stehen, und dass daher der Schaft 11 weder vom Fitting 16 noch vom Fitting 17 jemals berührt wird.

Ein Vorteil der Ausbildung der Densitometersonde 10 nach der Erfindung besteht darin, dass die Zuleitungen der Magnetspule 24 magnetisch gegen die Leitungen vom Kristall 30 abgeschirmt sind. Dies ist durch einen noch zu beschreibenen Teil des Gehäuses 12 gewährleistet. Das Gehäuse 12 weist ein auf das äussere Rohr 23 geschraubtes Rohrverbindungsstück 50 auf, auf das ein Zylinder 51 geschraubt ist. Mit Preßsitz ist im Fitting 50 auf dem inneren Rohr 21 eine Scheibe 52 befestigt. Das innere Rohr 21 weist ein oberes Ende auf, welches entweder relativ fest oder gleit-

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•fähig in der Scheibe 53, falls gewünscht, gelagert werden kann. Die äussere Oberfläche des inneren Rohres 21 liegt j^Q.doch vorzugsweise gleitfähig oder auch dicht an der die Bohrung definierenden Oberfläche der Scheibe 52 an. Am Umfang des RohrverbindungsStückes 50 kann mittels einer, zwei oder mehr Schrauben 54 eine aus magnetischem Material bestehende Abschirmung 53 befestigt werden. Das äussere Rohr 23 weist eine Radialbohrung 55 auf, woduch die Zuleitungen der Magnetspule 24 geführt sind. Das Rohrverbindungsstück 50 weist ein durchgehendes Loch 56 auf, welches mit der Radialbohrung 55 fluchtet, durch welche die Zuleitungen der Magnetspule 24 geleitet sind. Von dem radial nach aussen liegenden Ende des Loches aus verlaufen die mit 57 und 58 bezeichneten Spulenzuleitungsdrähte nach oben zwischen dem Zylinder 51 und der Abschirmung und werden mit den Stiften 59 und 60 einer elektrischen Kontaktierungsvorrichtung verbunden. Die elektrische Kontaktierungsvorrichtung kann ein herkömmlicher Fünffach-Stecker sein.

Wie bereits erwähnt wurde, gehen die Zuleitungen 31 und des Kristalls 30 durch das Innere dss inneren Rohres 21 nach oben.

Die gemäss der Fig. 2 am oberen Ende des inneren Rohres austretenden Zuleitungen 31 und 32 werden mit dem Eingang des Differenzverstärkers 61 verbunden. Die Zuleitungen 31 und 32 treten somit aus der oberen Öffnung des inneren Rohres nach oben aus.

Der Differenzverstärker 61 kann ausschliesslich von herkömmlicher Art sein und im Bedarfsfalle in herkömmlicher Weise auf eine Karte aufgebaut werden. Der Differenzverstärker 61 kann ferner durch bekannte Mittel im Bedarfsfalle innerhalb der Abschirmung 53 befestigt werden oder auch einfach mittels der Steifigkeit der Zuleitungen 31 und 32 und der mit den Stiften 64 bzw. 65 der elektrischen Kontakticrungsvorrichtung verbundenen Ausgangsleitungen 62 und 63 gehalten werden. Von der Abschirmung 53 zum fünften Stift 67 der elektrischen

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τ 8 -

⁸" ^ 244590A

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Kontaktierungsvorrichtung ist eine Leitung 66 als Masseverbindung vorgesehen.

Die Art und Weise, wie die elektrische Kontaktierungsvorrichtung 14 auf dem Zylinder 51 montiert ist, zeigt die Fig. 6. Da alle Schrauben 15 in gleicher Weise angeordnet sind, zeigt die Fig. 6 lediglich eine Schraube Die in Fig. 6 gezeigte Schraube IS weist einen Kopf 68, eine Unterlegscheibe 69 unter dem Kopf 68, eine kreisringförmige Ringscheibe 70 unter der Unterlegscheibe 69 und einen Schraubenschaft 71 auf, der in den Zylinder 5] geschraubt ist. Auf dem Schraubenschaft 7X sitzt ebenfalls eine kreisringförmige Ringscheibe 72. Die Ringscheibe sitzt zwischen der unteren Oberflächen.seite der Unterlegscheibe 69 und einer versenkten kegelstumpfförmigen Vertiefung in der elektrischen Kontaktierungsvorrichtung 14; die Ringscheibe 72 liegt zwischen der oberen Oberfläche des Zylinders 51 und einer weiteren versenkten kegelstumpfförmigen Vertiefung 74 in der Kontaktierungsvorrichtung 14'. Die kegelstumpfförmigen Vertiefungen 73 und 74 sind über die Bohrung 75 verbunden. Aus Fig. 6 ist erkennbar, dass deren sämtliche Strukturen vibrieren können, dass der auf die elektrische Kontaktierungsvorrichtung übertragene Vibrationsanteil aber recht klein sein kann.

Die Fig. 3 zeigt offensichtlich eine für die Herstellung verwendete Baugruppe. Zwischen der Baugruppe und dem äusseren Zylinder 22 ist ein Fest.5itz vorgesehen. Unmittelbar nach Herstellung dieses Festsitzes wird die Struktur innerhalb des äusseren Zylinders 22 jedoch nicht so vervollständigt, wie die Fig. 1 und 2 zeigen. Zur Vervollständigung der Konstruktion muss die Schwingplatte 20 nämlich geteilt v/erden. Bei richtiger Durchführung besteht zwischen dem abgetrennten Plattenteil 20'· der Platte 20 und der Schwingplatte 20',die vom übrigen Teil der Platte 20 gemäss der Fig. 2 gebildet wird, beispielsv/eise eine Lücke S von

500 .u bei einem lichten Durchmesser des

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äusseren Zylinders 22 von 25 mm. Eine Anwendungsform des Densitometers nach der Erfindung betrifft die Fig. 7. Die Densitometersonde 10 enthält wiederum die Magnetspule 24, den Kristall 30 und den Differenzverstärker 61. An den Differenzverstärker 61 ist der Strom-Spannungswandler 76 angeschlossen.

Das Eingangssignal am Differenzierglied 82 ist im wesentlichen eine sinusförmige Spannung, deren Frequenz der vom Kristall 30 aufgenommenen Resonanzfrequenz entspricht. Das Differenzierglied 82 erzeugt dann wie üblich eine in der Phase um 90° gegenüber der Eingan«jssinusspannung verschobene Sinusspannung, deren Amplitude dem Absolutwert der Eingangsfreguenz proportional ist. Die Ausgangs- · sinusspannung des Dirferenziergliedes 82 wird durch den Rechteckwellenwandler 83 in ein Rechtecksignal übergeführt. Da die Zeiteinheiten nicht gleich den Potentialei'nheiten sind, wird der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Rechtecksignal" als Spannungswellenr form mit plötzlichem Anstieg auf einen Maximalwert, mit einem daraufhin folgenden Konstantbleiben über die Hälfte der Periode und dann einen plötzlichen Abfallen definiert, beispielsweise mit einem nahezu unendlichen Abfall gegen den Minimalwert. Die Rechteckwellenform bleibt danach während der Hälfte ihrer Periode auf ihrem Minimalwert. Ein Rechtecksignal kann somit irgendeine maximale Amplitude und'eine minimale Amplitude ohne Rücksicht auf ihre Periode oder Frequenz besitzen.

Zwischen dem Rechteckwellenwandler 83 und der Antriebsspule sind nacheinander die Amplitudensteuerstufe 90, das Abgleichfilter 91 und der Leistungsverstärker 92 geschaltet. Der Phasenkomparator 9 3 enthält ein Eingangssignal vom Ausgang der Amplitudensteuerstufe 90 und ein weiteres Eingangssignal vom Ausgang des Abgleichfilters 91 und liegt an einem Eingang des Filterfrequenzreglers 94.

5 0 9 8 15/0919 -io -

LO

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Das Ausgangssignal des Reglers 94 dient zur elektrischen Änderung der Frequenzlage des Durchlassbereichs des Abgleichfilters 91, an d^Qjn das Signal, d.h. das Signal mit einer Grundfrequenz des Rechtecksignals am Ausgang der Amplitudensteuerstufe 90, liegt. Dadurch wird es möglich, dass das Ausgangssignal der Amplitudensteuerstufe 90 mit geringster Schwächung durch das Abgleichfilter 91 geht.

Die Amplitudensteuerstufe 90 kann einfach aus einem Spannungsteiler zur Verminderung der Amplitude des Ausgangssignals des Rechteckwellewandlers 83 auf einen gewünschten Wert bestehen. Es ist zu bemerken, dass die Schwingungsamplitude auf einen unbegrenzten Wert ansteigen kann, bei dem oder vor dem einige der Bauteile ausfallen können/ falls alle der vorstehend beschriebenen Blöcke des Systems der Fig. 7 3ls elektromagnetische Oszillatoren arbeiten. Die Amplitudensteuerstufe 90 dient deshalb dazu, einen Grenzwert der Rückkopplung zur Antriebsspule 24 zu setzen.

.0er Amplitudenmittelwert des Wechselstromausgangssignals des Leistungsverstärkers 92 liegt etwas oberhalb oder unterhalb des Nullwertes. Dies bedeutet,, dass es eine Gleichvorspannung aufweist, wie es beispielsweise in der Veröffentlichung "Magnetostriction Transducers", einer Veröffentlichung von "The International Nickel Company", Inc., 67 Wall Street, New York, New York 10005, beschrieben wird. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auch auf die Literatur dieser Veröffentlichung verwiesen. Die Gleichstromvorspannung wird verwendet,um den Stromfluss durch die Magnetspule 24 nur in einer Richtung zuzulassen und um die Frequenz der Ausgangsspannung des Kristalls 30 auf den gleichen Wert wie die der Eingangsspannung der Magnetspule 24 zu halten. Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch auch die Verwendung von anderen Antriebssystemen. Falls keine Gleichstromvorbelastung.der Magnetspule 24 aufer- '

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legt wird, kann ein binärer Frequenzteiler ^zur Halbierung der Frequenz des Eingangssignals der Magnetspule 24 verwendet werden.

Der Phasenkomparator 9 3 ist von herkömmlicher Bauweise.

Gemäss der Fig. 7 wird das Ausgangssignal des Abgleichfilters an die Linearisierungsschaltung 95 angelegt. Das Ausgangssignal der Linearisierungsschaltung 109 liegt an der Auswertanordnung 110, die aus einem in Dichteeinheiten geeichten Gleichstromvoltmeter bestehen kann. Das Ausgangssignal des Rechteckwellenwandlers 83 kann an den Phasenkomparator angelegt werden, sowie das Eingangssignal des Phasenkomparators 93 vom Ausgang der Amplitudensteuerstufe 90 fortfallen, falls der Phasenkomparator 9 3 der Fig. 7 ein stärkeres Eingangssignal erhalten soll. In gleicher Weise kann die gezeichnete Verbindung vom Ausgang des Abgleichfilters 91 zum Phasenkomparator 9 3 weggelassen werden und ein weiterer Rechteckwellenwandler zwischen den Ausgang des Abgleichfilters 91 und den Phasenkomparator 93 anstelle der in der Fig. gezeichneten Verbindung eingefügt werden. Falls der Rechteckwellenwandler zur Anwendung gelangt, kann die Linearisierungsschaltung 95 ebenfalls dessen Ausgangssignals anstelle des Ausgangssignals des Abgleich'filters 91 erhalten-

Als Strom-Spannungswandler 76, Differenzierglied 82, Rechteckwellenwandler 83, Amplitudensteuerstufe 90, Abgleichfilter 91, Leistungsverstärker 92, Phasonkomparator 93, Filterfrequenzregler 9 4 und Linearisierungsschaltung 109 können solche Elemente verwendet werden, die mit den in der US-Patentschrift Nr. 3 677 067 identisch sind.

Ein hervorstechendes Merkmal des Densitometers nach der Erfindung besteht darin, dass eine Formel abgeleitet werden kann, der das Ausgangssignal des Verstärkers sehr genau folgt. Somit wird die Eichung sehr erleichtert. Die Formel leitet sich wie folgt ab.

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_ 1 1 _

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Zunächst wird ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Behälter angenommen, der mittels einer Spiralfeder an einem festen Bauteil aufgehängt ist. Wird der Behälter nach unten gezogen, so wird bekanntlich das System schwingen, d.h. sich in der Art eines Yo-Yo auf- und abbewegen, mit einer Frequenz f von

. 1/2

f = (f) (D

wobei K die Federkonstante der Feder und m die Gesamtmasse des Systems bedeuten.

Durch Quadrieren beider Seiten (1) und entwickeln nach

einem Ausdruck in f und m ergibt sich

m = ξ (2)

Ist m die Masse des Behälters und itu die Masse der Flüssigkeit, so ist

m = m_c + m_f (3)

Aus(2) und (3) ergibt sich

v ^mf - _f!

Nach Abziehen von m von beiden Seiten von (.4) ergibt sich

m_f = β - m_c (5)

Definitionsgemäss ist die Masse gleich dem Produkt aus Dichte und Volumen. Besitzt die Flüssigkeit die Dichte d und das Volumen v, so folgt aus (5)

dv = I - in (6)

_ti c

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Somit wird

ι m

K ) — ι

Da K, m und ν Konstanten sind, können die Konstanten A und B

folgt, definiert werden:

A=- v

(8) O)

Durch Vergleich von (7), (8) und (9) ergibt sich

Hinsichtlich der Densitometersonde nach der Erfindung ist es überraschend, dass vom Verstärker ein Ausgangssignal abgezweigt werden kann, welches innerhalb einer sehr kleinen Genauigkeitstoleranz von Hh 0,1 % über einen weiten Eereich von etwa 1,3 rial IO g/cm bis 1,3 g/cm unmittelbar proportional gemäss Gleichung (10) ist. Es bedeuten dann d die Dichte einer zu untersuchenden Flüssigkeit oder eines zu untersuchenden Gases und f eine der Frequenzen, bei der die Schwingplatte 20' sich in Resonarz befindet, vorzugsweise die niedrigste oder erste Resonanzfrequenz. Wie bereits erwähnt, sind A und B Konstanten.

Die einzigartige Eigenschaft des Densitometers und der Verwendung der Densxtometerscnde nach der Erfindung, welche Eigenschaft bewirkt, dass das Ausgangssignal d der Linearisierungsschaltung 109 . der Gleichung

(10) folgt, ermöglichteeine sehr leichte, schnelle und genaue Eichung des Densitometers entsprechend Fig. 7.

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Bei einer Eichung wird als erstes die Densitometersonde 10 unterhalb des Rohrfittings 17 vollständig in eine erste Flüssigkeit bekannter Dichte d getaucht und die Resonanz-

frequenz f gemessen. Die zweite Massnahme besteht darin, a

dass die Densitometersonde 10 unterhalb des Rohrfittings 17 in eine zweite Flüssigkeit bekannter Dichte d, getaucht wixd und die Resonanzfrequenz f, gemessen wird, wobei d, nicht gleich ist d . Dies bedeutet, dass die zweite Flüssigkeit nicht die gleiche wie die erste Flüssigkeit sein soll.

Nachdem die erwähnten Eichmassnahmen durchgeführt worden sind, können dann die gewünschten Konstanten A und B aus folgendem Gleichungssystem (11),(12) mit zwei Gleichungen und zwei Unbekannten wie folgt berechnet werden.

-A" + B CU)

j- δ

^ab _f 2 + B (12)

"a

9
A (f ^l - f

i 2 ^ra ^rb

^(da - ^db^

(14)

^fb ^fa

B = d_a - -JL (15)

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f ²f ² (d - d ) B = d - (-^) ( ) (16)

B =

ab

b a

ο θ ρ

d f, ^ - d f - - d f, ^Δ + d. f, abaaabbjb

B =

ca

Es ist zu bemerken, dass A eine Funktion der Verstärkung des Verstärkers ist und B die Niveauverschiebung betrifft, d.h. die Einstellungen für die "Bereichsweite" bzw."Nulllage". In diesem Zusammenhang wird auf die US-Patentschrift Nr. 3 677 067 verwiesen.

WIRKUNGSWEISE

Beim Betrieb des Densitometers der Fig. 7 werden Umgebungsgeräusche vom Kristall in einem Frequenzband einschliesslich der Resonanzfrequenz des elektromagnetischen Oszillators aufgenommen. Dies bedeutet, dass die Signale vom Differenzverstärker 61 verstärkt, vom Strom-Spannungswandler in ein Spannungssignal und vomDifferenzierglied 82 differenziert werden. Das Ausgangssignal des Differenzierg]iedes wird daher eine Sinuswelle sein, die mittels des Rechteckwellenwandlers 83 in eine Rechteckwellenform gewandelt wird.

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Im Bedarfsfalle kann die Ämplitudenbegronzerstufe 90 zur Verminderung des Ausgangssignals am Rechteckwellenwandler 83 auf einen begrenzten Wert eingesetzt werden. Die Frequenzlage der Durchlasskurve des Abgleichfilters wird dann vom Filterffequenzregler 94 derartig verändert, dass die Frequenzlage der Grundfrequenz am Ausgang der Amplitudenregelstufe folgt und deren Ausgangssignal zum Leistungsverstärker 92 am wenigsten gedämpft wird. Dies erfolgt über die Phasendifferenz der Ausgangssignale der Amplitudenregelstufe 90 und des Abgleichfilters 91 mittels des Phasenkomparator 93 über den Filterffrequenzregier 94. Der Leistungsverstärker b2 treibt dann die Magnetspule 24 mit einem Signal an, das in Phase mit dem resonanzfrequenten Ausgangssignal des Kristalles 30 ist. Die Amplitude der durch Anregung der Magnetspule erzeugten Schwingungen wächst an bis sie von der Amplitudenregelstufe 90 begrenzt wird. Dann erreicht die Schwingungsamplitude nahezu ein festes Niveau. Sollte sich die Dichte der Flüssigkeit in der in der Rohrleitung fliessenden Flüssigkeit ändern, so ändert sich auch die Frequenz des Ausgangssignals des Abgleichfilters 91. Difc Linearisierungsschaltung wird dann ein Gleichspannungsausgangssignal liefern, welches unmittelbar der Dichte proportional ist. Falls eine Auswertanordnung 110 in Form ' eines in Dichteeinheiten geeichtes Voltmeter verwendet wird, wird die Dichte angezeigt. Es wäre zu bemerken, dass Teile der Densitometersonde 10 in Schwingungen versetzt werden, da das gemäss der Fig, 2 an die Magnetspule 24 angelegte Wechselstromsignal einen unterschiedlichen radialen Druck auf den Halbzylinder 26 ausübt, wobei das innere Rohr axial zwischen der Schulter 40 und dem Gegenlager des inneren Rohres 21 am unteren Ende mit dem Halbzylinder 26 expandiert und komprimiert.

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Das Densitometer gemäss der Fig. 7 ist jedoch natürlich nicht in der Anwendung auf Dichteanzeige begrenzt. Beispielsweise kann die Auswertanordnung 110 nicht nur ein in Dichteeinheiten geeichtes Voltmeter sondern auch ein Prozessregler sein. Ferner wird das Densitomter der Fig. 7 in der Regel mit der Auswertanordnung 110 verwendet. Das Densitometer der Fig. 7 ohne Auswertanordnung selbst ist jedoch im Zusammenhang mit dem Vergaser einer Verbrennung SKraftmaschine verwendbar.

Dementsprechend soll in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Bezeichnung "rjensitometer" die Vorrichtung gemäss der Fig. 7 sowohl mit als auch ohne Auswertanordnung bedeuten. Eine Weiterbildung des Densitometers kann im Hinblick auf die US-Patentschrift 3 677 067 erfolgen.

Die Halbzylinder 26 und 27 können in der in Fig. 3 gezeigten Lage mittels eines Elektronenstrahls verschweisst werden, bevor sie in den äusseren Zylinder 22 zur Herstellung des erwähnten Preßsitzes eingefügt werden. Die Densitometersonde 10 kann entweder federnd zur Rohrleitung 19 . genäss der Fig. 2 als auch in festgelegter Lage dazu entsprechend der US-Patentschrift 3 741 000 montiert werden.

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Claims

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Patentansprüche

Vibrationsdensitormeter mit einer Densitometersonde, in deren Gehäuse'eine Schwingplatte befestigt ist, die durch eine elektrische Erregeranordnung zu Schwingungen anregbar ist und deren Schwingungen mittels eines in ihrer Nähe innerhalb der zu untersuchenden Flüssigkeit angeordneten elektromechanischen Wandlers in elektrische Signale umgesetzt werder., dadurch gekennzeichnet,

dass die Schwingplatte blattfederartig an einem Ende fest zum Gehäuse gehalten und am anderen Ende frei schwingend ausgebildet ist,

dass der Ausgang des Wandlers über einen Rückkopplungskreis mit der elektrischen Erregeranordnung verbunden ist, so dass die Schwingungen der Schwingplatte entdämpft sind,

und dass die Frequenzänderung der elektrischen Signale in ein Ausgangssignal umgewandelt werden, dessen Grosse der Dichte der Flüssigkeit proportional ist.
2. Vibrationsdensxtometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufgangssignal an eine Auswertanordnung (11) angelegt wird.
3. Vibrationsdensxtometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal an ein in Dichteeinheiten geeichtes Voltmeter angelegt wird.
4. Vibrationsdensxtometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis einen Verstärker enthält.·

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