DE2445904A1 - Vibrationsdensitometer - Google Patents
VibrationsdensitometerInfo
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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 jQ.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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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.
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LO
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Das Ausgangssignal des Reglers 94 dient zur elektrischen Änderung der Frequenzlage des Durchlassbereichs des
Abgleichfilters 91, an dQjn 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 = mc + mf (3)
Aus(2) und (3) ergibt sich
v mf - f!
Nach Abziehen von m von beiden Seiten von (.4) ergibt sich
mf = β - mc
(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
A (f l - f
i 2 ra rb
(da - db^
(14)
fb fa
B = da - -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.
5 0 9 8 15/0919 - 17 -
C.E.Miller - 10
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.
5 0 9 8 15/0919
- 18 -
Claims (4)
- C.E.Miller -PatentansprücheVibrationsdensitormeter 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.·5098 15/09 19Leerseite
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