DE2638926A1

DE2638926A1 - Messystem

Info

Publication number: DE2638926A1
Application number: DE19762638926
Authority: DE
Inventors: Albert Donald Stolzy
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1975-09-05
Filing date: 1976-08-28
Publication date: 1977-03-17
Also published as: IT1075028B; FR2323126A1; NL7609818A; JPS5235678A; US3986388A

Description

Deutsche ITT Industries GmbH A.D. Stolzy 4

Hans-Bunte-Str. 19, 7800 Freiburg Dr.Rl/sp

18. August 1976

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Meßsystem

Die Priorität der Anmeldung Nr. 610 750 vom 5. September 1975 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung der Eigenschaft eines Fließstoffes und insbesondere die Bestimmung der Viskosität.

Die bislang eingeführten Viskosimeter besitzen alle eine verhältnismäßig geringe Genauigkeit. Die Erfindung zielt deshalb auf die Schaffung eines Viskosimeters, das eine genaue Bestimmung der Viskosität eines Fließstoffes ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

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Die Erfindung beschreibt demnach einen Körper, der in einen Fließstoff eingetaucht oszilliert und der ein verstärktes Rückkopplungssignal· besitzt, das eine Treiberspule mit In-Phase- und Aus-der-Phase-Signalen bei wechselnden Perioden antreibt. Es hat sich dann gezeigt, daß bei einer Oszillationsfrequenz, die bei zwei wechselnden Perioden direkt proportional f und f, ist, die Größe einer Eigenschaft des Fließstoffes, eingeschlossen die Viskosität, dann der folgenden Gleichung entspricht

P = Kf_h (T_n - T_h> - B
wobei T, = -=— ist
und K und B Konstanten sind.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von ρ entsprechend der obigen Gleichung angegeben.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand der Beschreibung der beigefügten Zeichnung besser erkennen.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Schleppkörpervorrichtung, z. T. im Aufriß,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine Teilansicht, teils im Aufriß, die die Befestigung des in Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Kristalles zeigt,

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Fig. 5 einen senkrechten Schnitt durch eine mögliche andere Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 ein Blockdiagramm des Systems nach der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Schleppkörpervorrichtung benutzt wird von der Art, wie sie Fig. 1 bis 5 zeigt,

Fig. 7 ein Blockdiagramm des Freguenzverstärkers nach Fig. 6,

Fig. 8 ein Blockdiagramm des digitalen Phasenschiebers nach Fig. 6,

Fig. 9 eine Graphik einer Gruppe von Signalen, die für den Betrieb des digitalen Phasenschiebers nach Fig. 8 charakteristisch sind,

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Rückwärtszählers nach Fig. 6 mit einem einstellbaren Frequenzteiler (rate multiplier),

Fig. 11 ein Blockdiagramm, das einen Teil der zwei Register und der Torschaltung aus Fig. 10 zeigt,

Fig. 12 ein Blockdiagramm des Dreiecksignalgenerators nach Fig. 6 und

Fig. 13 und 14 Graphiken einer Gruppe von Signalen, die für den Betriebsablauf des Systems nach der Erfindung, gezeigt in Fig. 6, charakteristisch sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Schleppkörpervorrichtung 20 verwendet werden, die aus einem am unteren Ende verschlossenen zylindrischen Behälter 21 besteht, dessen oberes

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Ende durch die zur Torsionsfederanordnung 22 gehörende Platte verschlossen ist.

Alle Bestandteile, die innerhalb des Behälters 21 zu sehen sind und die von der zylindrischen Innenwand desselben räumlich getrennt sind, können aus einem einzigen Stück eines isotropen Metalls oder anderen Materials hergestellt sein. Es gibt jedoch eine Ausnahme. Der zylindrische Teil oder Schleppkörper 24 besitzt ein Loch 25, in dem der Dauermagnet 26 fixiert ist. Die Lage des Dauermagneten 26 läßt sich aus der Fig. 3 besser erkennen. Eine Scheibe 27 ist mit der Scheibe 23 fest verbunden. Die vier Torsionsstreifen 28, 29, 30 und 31 verbinden die Scheibe 27 mit der Scheibe 28', die ebenfalls an den Torsionsstreifen 28 bis 31 befestigt ist. Die Torsionsstreifen sind auch in Fig. zu erkennen.

Die Bezugsziffer 32 in den Fig. 1 und 2 markiert einen piezoelektrischen Kristall.

A¹ in Fig. 1 stellt den Durchmesser des Schleppkörpers 24 dar. In der gleichen Figur gibt B¹ den Innendurchmesser des Behälters 21 an, dieser ist um einen Betrag von 1,524 mm größer als der Außendurchmesser A¹.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der Behälter 21 fixiert. Aus Fig. 3 wird deutlich, daß der Dauermagnet 33, der ferromagnetische Kern 34 und die Spule 35, die um den Kern 34 herum angebracht ist, eine bestimmte Stellung gegenüber dem Behälter 21 einnehmen. Die Achse des Dauermagneten 33, des Kerns 34 und der Spule 35 liegt senkrecht zur vertikalen Achse des Körpers 24 und bildet einen Winkel 0 mit der Achse des Dauermagneten 26 von z. B. 45°.

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Wie Pig. 4 zeigt, kann der Kristall 32 auf jede beliebige herkömmliche Weise befestigt sein, er weist die obere Elektrode 36, die untere Elektrode 37 und die Verbindungsschicht 38 auf, die die untere Elektrode 37 an der Scheibe 23 bondet.

An der oberen Elektrode 36 ist die Leitung 39 und an der unteren Elektrode 37 die Leitung 40 befestigt. Beide Leitungen sind auch in Fig. 1 zu erkennen.

Eine mögliche andere Ausbildungsform der Schleppkörpervorrichtung 20 wird in Fig. 5 unter der Bezugsziffer 41 gezeigt. Sie kann mit der Schleppkörpervorrichtung 20 nach Fig. 1 identisch sein mit der Ausnahme, daß die der Scheibe 23 in den Fig. 5 und 1 entsprechende Scheibe 23' die Bohrung 42 besitzt, in der das Rohr eingedichtet ist. Der Innendurchmesser desselben kann nahezu gleich oder genau gleich sein dem Zwischenraum zwischen den entgegengesetzt angeordneten Torsionsstreifenpaaren 28/30 und 29/31. Die Bohrung 42 in der Scheibe 23' in Fig. 5 erstreckt sich ganz durch die Scheibe 27' hindurch.

Die Schleppkörpervorrichtung 41 enthält einen Behälter 21", der mit dem Behälter 21 nach Fig. 1 identisch sein kann bis auf die Bohrung 4 4 und das darin eingedichtete Rohr 45. Wie Fig. 5 zeigt, kann ein Fließstoff in den Rohren 43 und 45 langsam auf und ab zirkulieren.

Das System nach der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 6 gezeigt, wobei eine Schleppkörpervorrichtung 20" zu sehen ist, die mit den in Fig. 1 und 5 gezeigten Vorrichtungen 20 oder 41 identisch sein kann.

Die Vorrichtung 2O" besitzt einen piezoelektrischen Kristall 32' und eine Spule 35', die dem Kristall 32 in Fig. 1 und der Spule

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in Fig. 3 entsprechen. Die Vorrichtung 20^fl mit dem Differenzverstärker 46, dem Rechteckwellenwandler 47, dem Frequenzverstärker 52, einem durch 250 teilenden Frequenzteiler 63, entweder einem durch 2 teilenden Frequenzteiler D1 oder einem digitalen Phasenschieber 51, dem elektronischen Schalter 48, einem Dreiecksignalgenerator 49 und einem Leistungsverstärker 50 bildet einen elektrischen Oszillator mit geschlossener Schleife, bei dem die Verstärkung ausreicht, daß der Körper 24 in Fig. 3 zurück und vor rotiert oder um seine vertikale Achse oszilliert, wie Fig. 1 zeigt. Die Spitze-zu-Spitze-Rotation besitzt eine verhältnismäßig schmale Amplitude (vielleicht ca. 1°) und sobald das obere Ende des Kerns 34 in Fig. 3 positiv wird, sorgt es für eine zusätzliche Anziehung des Südpols des Dauermagneten Der Dauermagnet 26 liefert wiederum eine andauernde Gegenspannung, die seinen Südpol daran hindert oder auch nicht, sich bis zu einer Stellung oder auch noch darüber zu bewegen, die in Fig. 3 gezeigt wird. Wird das obere Ende des Kerns 34 zum Südpol, wirken dieser und die Torsionsfederanordnung 22 dahingehend, daß der Dauermagnet 26 sich in die in Fig. 3 gezeigte Stellung rückbewegt, wobei die Anordnung 22 der nach unten gerichteten Bewegung des Südpols des Dauermagneten 26 Widerstand leistet.

Die Spule 35' in Fig. 6 wird mit einer richtigphasigen Spannung gespeist, wenn der Schalter 48 sich in einer nichtgezeigten Stellung befindet. Befindet sich der Schalter 48 in der gezeigten Stellung, wird die Spule 35' mit einem Signal gespeist, das um 45° der Phase des Ausgangssignals des Verstärkers 46 nachläuft.

Die Phase des Eingangssignals der Spule 35', wenn es dem Ausgangssignal des Verstärkers 46 nachläuft, ist durch den Gebrauch des digitalen Phasenschiebers 51 nach Fig. 6 unabhängig von der Frequenz.

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Der besagte elektromechanische Oszillator wird somit durch ein Rückkopplungssignal ohne Phasenverschiebung während z. B. einer Sekunde betrieben, und wird mit der besagten Phasenverschiebung während einer anderen SeXunde betrieben. Dies geschieht wechselweise, solange das System in Betrieb ist.

Gegebenenfalls kann das Ausgangssignal des Frequenzverstärkers am Verbindungspunkt 53 eine entsprechende Frequenz f und eine Periode T aufweisen, wenn der besagte elektromechanische Oszillator ohne Phasenverschiebung arbeitet. Das Ausgangssignal des Frequenzverstärkers 52 kann beim Vorliegen einer Phasenverschiebung in der Oszillatorschleife eine entsprechende Frequenz f,

und Periode T, besitzen,
h

Andere Bauteile des Systems nach Fig. 6 sind ein 200 kHz-Taktgeber 53', die Flipflops 117 und 118, die Differenzierschaltung 119, die Zähler 120 und 121, die UND-Gatter 122 bis 125, der durch teilende Frequenzteiler 63, der zweipolige elektronische Schalter 64, der Vorwärts- und Rückwärtszähler 65, die einstellbaren Frequenzteiler 66 und 67, die Schaltmatrix 68, der Digitalcomputer 69 mit der Schaltmatrix 7O und dem Anzeiger 71.

Der Zähler 120 zählt vielleicht 2 % mehr als der Zähler 121, beide · liegen im Bereich von 200.000. Der Zähler 120 zählt wechselweise f und f,. Das "1"-Ausgangssignal des Flipflops 117 steuert die Schalter 64, 65 und 48, der letztere befindet sich in der "n"-Stellung, wenn das "1"-Ausgangssignal des Flipflops 117 hoch ist.

Der Zähler 65 zählt vorwärts während der Periode T und rückwärts

während der Periode IV. Das Ausgangssignal des Zählers 65 ist dann der Differenz (T - T, ) direkt proportional. Diese Differenz wird mit einem f, direkt proportionalen Faktor wie folgt multipliziert:

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Das Flipflop 11b wird von der Führungskante des "1"-Ausgangsimpulses des Flipflops 117 gestellt und durch den Rückstellimpuls des Zählers 121 rückgestellt. Das "1"-Ausgangssignal des Flipflops 118 öffnet das UND-Gatter 125 während einer konstanten Zeitperiode. Die Impulszahl jeder Gruppe am Ausgang des UND-Gatters 125 ist dann f, direkt proportional und jede Gruppe von Signalen wird dem einstellbaren Frequenzteiler 66 eingegeben, so daß f durch das gespeicherte Ausgangssignal im Zähler 65 dabei multipliziert wird (das Ausgangssignal ist direkt proportional (T - T.). Die Viskosität ρ wird somit durch die Anzeigevorrichtung 71 angezeigt, da ihr Eingangssignal dem Wert von ρ direkt proportional ist, wobei ρ = Kf, (T - T) - B, und K und B Konstanten sind. Der Tiefstwert von T, sollte größer sein als die Periode, damit das "1"-Ausgangssignal des Flipflops 118 hoch ist.

Das Flipflop 117 besitzt die "1"-Ausgangsleitung 72, die einen hohen Signalpegel eine Sekunde lang und einen niedrigen Signalpegel während der folgenden Sekunde besitzt, es ist ein Rechtecksignal mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis ungleich 1. Die Ausgangsleitung 72 steuert die Stellung des Schalters 64, steuert ferner die Bereitstellung des Zählers 65 und steuert die wechselnden Oszillationsmoden der Oszillatorschleife durch Regelung der Stellung des Schalters 48.

In einer Abwandlung des Systems nach Fig. 6 ist f größer als f .

1 ⁿ 1

Umgekehrt ist T größer als T, , da f, = — und f = =—. Das ganze

Xi Xi jn v» ^*

System ist durch Regelung des Schalters 6¥ zu einem Kreis geschlossen, damit der Zähler 65 die Takte für T vorwärts zählt und für T rückwärts zählt, wenn der Schalter 64 in der nichtge-

h
zeigten Stellung sich befindet. Somit stellt die Differenz (T - T. ) den im Zähler 65 gespeicherten bereitgestellten Minimalwert dar. Dieser gespeicherte Wert wird dann mit den Impulsen multipliziert, die in der Ausgangsleitung 73 des UND-Gatters 125 auftreten.

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Der Rechteckwellenwandler 47 ist an den Verbindungspunkt 77 angeschlossen, an dem auch der Eingang des FrequenzVerstärkers 52 liegt. Die Frequenz des am Verbindungspunkt 77 aufscheinenden Signals liegt bei 200.000 Hz, wenn das Ausgangssignal des Frequenzverstärkers 52 f ist. Für f, beträgt die Frequenz des Signals am Verbindungspunkt 77 202.500 Hz.

Die im Zähler 65 gespeicherte Zahl wird dann mit der Impulszahl in der Ausgangsleitung 73 des UND-Gatters 125 multipliziert, und zwar während der Zeit, in der der "1"-Ausgang des Flipflops 118 hoch ist.

Die Schaltmatrix 68 verringert zusammen mit dem einstellbaren Frequenzteiler 67 die Zahl der Impulse in der Ausgangsleitung des einstellbaren Frequenzteilers 66, so daß das Ausgangssignal des einstellbaren Frequenzteilers 67 einer Impulszahl entspricht, die gleich ist

^Kfh <^Tn -V·

Der Faktor K wird durch Einstellung der Schaltmatrix 68 bestimmt. Der Faktor B in der Gleichung wird durch den Computer 69 durch Einstellen der Matrix 70 abgezogen. Das Ausgangssignal des Computers 69 wird in den Anzeiger 71 eingegeben.

Der Frequenzverstärker 52 kann z. B. die Frequenz des Rechtecksignals, das am Verbindungspunkt 77 erscheint, mit dem Faktor 1.000 multiplizieren.

Der Generator 4 9 kann durch einen Generator ersetzt werden, der eine Sinuswelle erzeugt. Er kann auch durch eine Reihe anderer Bauteile ersetzt werden. Der Zweck des Dreiecksignalgenerators ist der, einen brauchbaren Grundstrom in der Spule 35' zu bekommen. Dieser wird in Fig. 13 unter i1 gezeigt.

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Die Kombination der in Fig. 6 gezeigten Bauteile ist neu. Es sind jedoch nur wenige der einzelnen Teile des Systems nach Fig. 6 per se neu.

Der Frequenzteiler 63 verringert die unnötig lange Frequenz am Ausgang des Frequenzverstärkers 52 und liefert ein Eingangssignal für den digitalen Phasenschieber 51.

Die hierin beschriebenen Differenzierschaltungen können alle von der unter 80 in Fig. 8 gezeigten Art sein, die der herkömmlichen Weise entspricht. Der Taktgeber 53' entspricht ebenfalls der herkömmlichen Bauweise, was auch für den Frequenzteiler 63 gilt.

Auch die elektronischen Schalter 48 und 64, die Flipflops 117 und 118 sowie die Zähler 65, 12O und 121 weisen die herkömmliche Bauweise auf. Dies gilt auch für die UND-Gatter 122 bis 125 und den Differenzverstärker 46, den Rechteckwellenwandler 47 und den Leistungsverstärker 50 in Fig. 6. Auch für den Frequenzverstärker 52, den Vorwärts-Rückwärtszähler 65, die einstellbaren Frequenzteiler 66 und 67, die Schaltmatrix 68, den Computer 69, die Schaltmatrix 70 und den Anzeiger 71 gilt das gleiche.

Die einstellbaren Frequenzteiler 66 und 67 können denen nach dem US-Patent Nr. 3 878 374 oder der üblichen Bauweise entsprechen. Das gleiche gilt für die Schaltmatrix 68, den Computer 69, die Schaltmatrix 70 und den Anzeiger 71. D. h. aber, daß alle Bauteile 66 bis 71 mit den entsprechenden Bauteilen des US-Patentes Nr. 3 878 374 identisch sind.

Der Zähler 65 kann der herkömmlichen Bauweise entsprechen mit oder ohne Einstellung. Es wird in diesem Zusammenhang auf die zahlreichen reversiblen Zähler im "Handbook of Logic Circuits" by John D. Lenk, Reston Publishing Company, Inc., Reston, Virginia copyright 1972, verwiesen.

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Beim Betrieb des Systems nach Fig. 6, wenn das Signal in der Ausgangsleitimg 72 des Flipflops 117 hoch ist, nehmen die Schalter 48 und 64 die gezeigten Stellungen ein. Der Zähler 65 zählt dann vorwärts. Dies beruht darauf, daß der Schalter 48 in der gezeigten Stellung den Ausgang des Frequenzteilers D1 mit dem Dreiecksignalgenerator 49 verbindet, und f. beim Ausgang des Frequenzverstärkers 52 erscheint und größer ist als f und T dabei größer als T, ist. Der Zähler 65 zählt dann den Takt bei der Periode T vorwärts.

Ist das Signal in der Ausgangsleitung 72 niedrig, so ändert sich die Stellung des Schalters 64 und der Zähler 65 zählt während der Periode T. rückwärts. Die zuerst gespeicherte Differenz (T - T, ) wird während der Periode T, mit einem Faktor multipliziert, der dem Wert f, im einstellbaren Frequenzteiler 66 direkt proportional ist. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Impulsbreite beim "1"-Ausgang des Flipflops 118 konstant und die Zahl der Impulse in jeder Gruppe innerhalb der Impulsbreite dem Wert f, direkt proportional ist, da das Eingangssignal am UND-Gatter 125, das eine hohe Frequenz aufweist, in der Tat f, ist. Somit zählen zwei noch zu beschreibende Register rückwärts und speichern gleichzeitig, wenn der Zähler 65 rückwärts zählt. Die gespeicherte Differenz zwischen T und T, wird dann mit den in der Aus-

n η

gangsleitung 73 aufscheinenden Impulsen multipliziert.

Der Betrieb der Bauteile 67, 68, 69, 7O und 71 wird in dem oben genannten Patent beschreiben.

Wird das System nach Fig. 6 zur Anzeige der Viskosität verwendet, so kann diese im Anzeiger 71 abgelesen werden.

Das System nach Fig. 6 wird gegen einen Standard empirisch geeicht. Die Eichung kann mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate erfolgen, oder einfacher und vielleicht weniger genau

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durch Ablesen des Anzeigers bei Fließstoffen unterschiedlicher Viskosität, Messen von f. und f bei beiden Viskositäten, wobei dann zwei übereinstimmende Gleichungen für die unterschiedlichen Viskositäten aufgestellt und die zwei Unbekannten K und B bestimmt werden.

Über die Verwendung von ähnlichen Gleichungen und empirischen Eicheinrichtungen siehe Patentanmeldung P 21 41 397.

Der Frequenzverstärker 52 nach Fig. 6 kann der in Fig. 7 gezeigten Art oder einer anderen üblichen Bauweise entsprechen. Er ist mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 82, einem Rechteckwellenwandler 83, einem durch 1.000 teilenden Frequenzteiler sowie einem Phasendetektor 85 und einem Tiefpaßfilter 86 versehen. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 86 führt über die Leitung 87 zum Eingang von 82. Das Eingangssignal des Frequenzverstärkers 52 wird dem Phasendetektor 85 über die Leitung 88 eingegeben.

Der digitale Phasenschieber 51 in Fig. 8 enthält die Invertierschaltung 90, die Differenzierschaltung 80 und den durch 2 teilenden Frequenzteiler 91, die in dieser Reihenfolge geschaltet sind.

Die Wellenformen der Fig. 9 beziehen sich auf die Fig. 8. Die Wellenform eio ist das Ausgangssignal des durch 2 teilenden Frequenzteilers D2 in Fig. 12. Das Produkt aus den durch den Frequenzteiler 91 geteilten Werten und den des Frequenzteilers 63 in Fig. 6 muß gleich 500 sein, da der Frequenzverstärker 52 in Fig. 6 mit 1.000 multipliziert und die Frequenz am Ausgang des Frequenzteilers D2 der Frequenz der Wellenform, die am Verbindungspunkt 77 auftritt, entsprechen muß, wenn der Schalter 48 in der in Fig. 6 gezeigten Stellung ist. Das gleiche gilt für die Werte der Frequenzteiler D1 und 63 in Fig. 6. Man erkennt,

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daß das Ausgangssignal e10 in Fig. 9 um 45° phasenverschoben ist, da die Rückflanke der Eingangswelle e6 dazu benutzt wurde, die Führungskante von eiO anzusteuern.

Der Zähler 65 und der einstellbare Frequenzteiler 66 sind auch in Fig. 10 zu sehen. Der Zähler 65 kann der herkömmlichen Bauweise entsprechen, er enthält eine herkömmliche Logikschaltung 92, ein daran angeschlossenes Zählerregister 93, daran anschließend eine Torschaltung 94 und ein herkömmliches Speicherregister 95, das sich wiederum an 94 anschließt. Das Speicherregister 95 ist mit dem einstellbaren Frequenzteiler 66 verbunden.

Der Zähler 65 wird auf die Vorderflanke des "1"-Ausgangssignals des Flipflops 117 in Fig. 6 durch Verbindung mit der Differenzierschaltung 96 rückgestellt. Das Ausgangssignal derselben geht in die Logikschaltung 92 und die Torschaltung 94. In der herkömmlichen Weise dient 94 dazu, den Inhalt des Zählerregisters 93 in das Vorwärtsregister 95 zu übertragen. Die in der Eingangsleitung zum einstellbaren Frequenzteiler 66 vom Schalter 57 aufscheinenden Impulse werden mit der im Register 95 gespeicherten Zahl multipliziert, wie es üblich ist.

Die Übertragung des Inhalts des Register 93 auf das Register 95 über die Torschaltung 94 wird durch eine Stufe in den Registern 93 und 95 und dem NAND-Gatter in der Torschaltung 95 dargestellt, die den Transfer durchführt.

In Fig. 11 wird das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 96 der Eingangsleitung 97 eingegeben, die zum jeweiligen Eingang der zwei NAtäD-Gatter 98 und 99 führt, die an den Setz- und Rücksetzeingängeh des Flipflops 100 angeschlossen sind. Das NAND-Gatter 98 empfängt ferner ein Eingangssignal vom "0"-Ausgang des Flipflops 101, das NAND-Gatter 99 ein Eingangssignal vom "1"-Aus-

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gang desselben Flipflops. Flipflop 101 bedeutet eine Stufe des Registers 93, die der Stufe im Register 95, welche das Flipflop 100 einschließt, entspricht.

Der Dreiecksignalgenerator 49 in Fig. 12 enthält den elektronischen Schalter 102, der durch das Ausgangssignal des Schalters 48 in_#Fig. 6 betrieben wird.

In Fig. 12 besitzt das Rechtecksignal einen gesteuerten positiven und negativen Wert, wobei der absolute Wert von beiden Werten nach Einstellung auf die gleiche Höhe, wenn möglich, dem Eingangspunkt 103 einer herkömmlichen Integrierschaltung 104 eingegeben wird, die den Rückkopplungskondensator 105, den Verstärker 106 und den durch das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 116 betriebenen elektronischen Rückstellschalter 107 besitzt. Der Dreiecksignalgenerator 49 besitzt die Eingangsleitung 109 vom Pol des Schalters 48 in Fig. 6 her. In Fig. 12 ist die Leitung 109 zur Regelung der Stellung des Schalters 1O2 angeordnet, sie bildet einen Verbindungspunkt 110 mit der Leitung 111.

Der Frequenzteiler D2, die Invertierschaltung 115 sowie die Differenzierschaltung 116 dienen dazu, die Integrierschaltung 104 auf null zu stellen und eine Verschiebung zu verhindern. Wie zu sehen ist, wird die Integrierschaltung 104 stets zu der Zeit auf null gestellt, in der das Dreiecksignal 113 114 bei 0 V passiert. Das Nullstellen kann auch weniger oft durchgeführt werden. Es kann einmal oder weniger oft für einen Wellenzyklus 113 vorgenommen werden. Die Inverterschaltung 115 und die Differenzierschaltung 116 liegen an de3r Leitung 111 zum Rückstellschalter 107 hin.

In Übereinstimmung mit dem Gesagten werden die Vorder- und Rückflanken jedes Impulses, aufgenommen über die Eingangsleitung 109,

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durch die Differenzierschaltung 116 bestimmt und die Impulse an bestimmten Zeitpunkten werden dazu benutzt, den Schalter 107 zu schließen, wenn die Rückflanken der Impulse in der Eingangsleitung 109 erscheinen.

In Fig. 13 stellt el das Rechtecksignal dar, das an dem Ausgang des Schalters 48 und in der Eingangsleitung 109 des in Fig. 6 und 12 gezeigten Dreiecksignalgenerators 49 erscheint. Befindet sich der Schalter 48 in einer der in Fig. 6 gezeigten Stellungen, ergibt sich die gleiche Wellenform bei e2. Obgleich, wie gezeigt, die Wellenformen (el und e2) keine Zeitübereinstimmung haben können, werden sie so gezeigt, als hätten sie eine, um zu demonstrieren, daß die Wellenform e2, die immer am Verbindungspunkt 77 in Fig. 6 erscheint, gegenüber der Wellenform el zum 45° phasenverschoben ist. Man sieht, daß die Wellenform e2 der Wellenform el um 45° in Fig. 13 nachläuft.

Wie zuvor dargelegt, besitzt das Ausgangssignal des Schalters 48 in zwei unterschiedlichen Stellungen keine Zeitübereinstimmung, da der Schalter 48 in Fig. 6 zu einer bestimmten Zeit nur eine Stellung einnehmen kann, was auf der Hand liegt. Die Phasen der zwei unterschiedlichen Ausgangssignale des Schalters 48 an dem Ausgang stehen deshalb nicht in Zusammenhang miteinander. Obgleich die Frequenz des Rechtecksignals am Verbindungspunkt 77 in Fig. 6 stets die gleiche ist, sind es in der Tat die zwei unterschiedlichen Frequenzen an dieser Stelle, die die Viskosität bestimmen. Die Eigenschaften eines Fließstoffes, nicht nur die Viskosität, können auch auf die gleiche Weise unter Verwendung des Systems nach Fig. 6 ermittelt werden.

Die Zeitgröße C in der Kurve el kann weitgehend dem Zeitabstand eines jeden Impulses der Kurve e2 in Fig. 13 entsprechen, obgleich, wie zuvor erwähnt, ein begrenzter Unterschied wichtig ist,

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und der zur Bestimmung der Viskosität usw. dient. Die Impulsbreite C' kann ζ. B. 5 ms betragen.

Wenn der Schalter 4b in der Fig. 6 sich in der nichtgezeigten Stellung befindet, stellt el das Signal dar, das am Verbindungspunkt 77 aufscheint, und e2 das Signal am Ausgang des Frequenzteilers D2 in Fig. 12. Die Größe f', die sich aus dem Vergleich der Signale el und e2 in Fig. 11 ergibt, entspricht C geteilt durch 4.

Befindet sich der Schalter 48 in der in Fig. 6 gezeigten Stellung, sind das Signal am Verbindungspunkt 77 und das Signal am Ausgang des Frequenzteilers D2 in Fig. 12 identisch und in Phase mit el.

Der Strom in der Spule 35' kann ähnlich von der Stellung des Schalters 48 unabhängig sein. Er kann z. B. die in Fig. 13 unter ii gezeigte Form annehmen, wenn der Schalter 48 sich in der gezeigten Stellung befindet.

In Fig. 14 stellt e3 den Ausgangsimpuls des Taktgebers 53' dar. Das Signal e4 ist der "1"-Ausgang des Flipflops 117.

Die Impulse e3 verkörpern während der Periode T in Fig. 14 den Taktgeberimpuls zwischen den aufeinanderfolgenden Setz- und Rückstellimpulsen des Flipflops 117. Nachdem der Zähler 65 während der Periode T , die der gezeigten Periode T entspricht, aber vor dieser liegt, vorwärts gezählt hat, und der Zähler 65 hat während einer Periode, die vor der Periode T, liegt, aber dieser entspricht, rückwärts gezählt, wird die gezählte Differenz, die im Register 93 der Fig. 10 enthalten ist, zu Beginn der in Fig. 14 gezeigten Periode T auf das Register 95 übertragen. Der Zähler 65 zählt dann vorwärts während der in Fig. 14 gezeigten Periode T und rückwärts während der in Fig. 14 gezeigten

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Periode T,, gleichzeitig wird die Multiplikation durch den einstellbaren Frequenzteiler 66 durchgeführt.

Die Impulse e5 in Fig. 14 verkörpern die Ausgangsimpulse des UND-Gatters 125 in Fig. 6, die zum Eingang des einstellbaren Frequenzteilers 66 weitergeleitet werden. Die Eingangsimpulse kommen in Gruppen an, da das UND-Gatter 125 f -Impulse nicht weitergibt, ausgenommen während einer konstanten Periode, die durch die Länge des Zählers 121 bestimmt ist, und die etwas kürzer sein kann als die maximal erwartete Periode T. (die Differenz wird bei T aus Gründen der Deutlichkeit in Fig. 14 hervorgehoben, die Differenz (T - T, ) wird in Fig. 14 aus demgleichen Grunde hervorgehoben). Die Periode, während der eine Impulsgruppe der Impulse e5 in Fig. 14 erzeugt wird, hängt von der Größe des in Fig. 6 gezeigten Zählers 121 ab.

Der Ausdruck "Schalter" bedeutet jede Art von Schalter, jedoch vorzugsweise einen elektronischen oder elektrischen Schalter. In der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Ausdruck "Schalter" vorzugsweise ein elektronischer Schalter verstanden.

Die Strömung durch den Behälter 21' in Fig. 5 ist vorzugsweise gedämpft, langsam oder ganz langsam.

Da die Anregung der in Fig. 3 gezeigten Spule 35 zu einer oszillierenden Rotation des Schleppkörpers 24 führt, ist darauf zu achten, daß der Behälter 21 und gegebenenfalls alle darin enthaltenen Bauteile bis auf den Dauermagneten 26 am besten nicht magnetisch sind.

Die eingangs angeführte Gleichung kann zur Bestimmung der Dichte verwendet werden, falls die Viskosität weitgehend oder genau konstant bleibt. In ähnlicher Weise kann es für die Anzeige der

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Viskosität im Anzeiger 71 nach Fig. 6 wichtig sein, den Fließstoff im Behälter 21 auf einer konstanten Temperatur zu halten, so daß die Dichte ebenfalls konstant bleibt.

Die Torsionsfeder 22 in Fig. 1 kann eine herkömmliche Torsionsfeder sein, ein Torsionsrohr oder ein Torsionsstab.

Wie bereits erwähnt, kann ein Wert oder können mehrere Werte von einer oder mehreren Eigenschaften eines Fließstoffes an dem Ausgang des Computers 69 in Fig. 6 erscheinen und zusammen mit anderen Komponenten zur Bestimmung anderer Variablen in einem größeren System verwendet werden. Zusätzlich kann das System nach Fig. 6 dazu verwendet werden, die Größe einer Fließstoffeigenschaft durch den Anzeiger 71 anzugeben, wobei 71 auch durch einen Prozeßregler oder dergleich ersetzt werden kann. Das gilt unabhängig davon, welche Größe einer Fließstoffeigenschaft durch das Ausgangssignal des Computers 69 verkörpert wird.

Der Ausdruck "Fließstoff" kann eine Flüssigkeit bedeuten, unabhängig davon, daß die Erfindung auch zur Bestimmung der Fließeigenschaften von einem oder mehreren Gasen geeignet ist.

Die Ausdrücke "UND-Gatter" und "NAND-Gatter" bedeuten den jeweiligen Gattertyp mit oder ohne Inverter.

Es ist auch wichtig zu erwähnen, daß der digitale Phasenschieber 51 aus Fig. 6 ein Schieber ist, der die Phase des am Verbindungspunkt 77 in Fig. 6 aufscheinenden Rechtecksignals unabhängig von der Frequenz desselben verschiebt.

Die maximale Rotationsbewegung des Schleppkörpers 24 in den Fig. 1 und 3 kann bei 1° liegen.

6 Patentansprüche

5 Blatt Zeichnung 709811/0741

mit 14 Figuren

Claims

A.D. Stolzy 4 PATENTANSPRÜCHE

Meßsystem zur Bestimmung von Fließstoffeigenschaften, insbesondere der Viskosität, bestehend aus: einem elektromechanischen Oszillator mit einem beweglich befestigten Körper, der zumindest teilweise in einen Fließstoff eingetaucht werden kann, einer Meßvorrichtung zur Erzeugung eines periodischen Signals auf die Oszillation des Körpers hin, einer ersten, an der Meßvorrichtung angeschlossenen Vorrichtung zum Empfang des genannten Signals, einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die den Körper zum Oszillieren bringt, wobei diese Vorrichtung einen Verstärker enthält, der ein zweites und drittes periodisches Signal mit zwei bestimmten Frequenzen erzeugt, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Frequenz des ersten periodischen Signals gleich sind, und wobei der Verstärker das zweite und dritte periodische Signal dem elektrischen Antrieb eingibt, um den Körper unter Ausbildung einer geschlossenen Schleife zum Schwingen zu bringen, wobei die erste Vorrichtung Signale der Frequenzen f und f, mit den jeweiligen Perioden T und T. erzeugt, und die Verstärkung durch den Verstärker ausreicht, daß die Schleife bei einer der ersten oder zweiten Frequenz oszilliert, die den Frequenzen f und f, direkt proportional ist, daß ferner die erste Vorrichtung einen Phasenschieber enthält, der das Signal mit der ersten periodischen Frequenz aufnimmt, daß die erste Vorrichtung zweite und dritte periodische Signale an die elektrische Antriebsvorrichtung wechselweise zu bestimmten Zeitabschnitten weitergibt, wobei das zweite periodische Signal mit dem ersten in Phase liegt und das dritte nicht und wobei die zweite Vorrichtung ein Ausgangssignal ρ gemäß der Gleichung ρ = Kf, (T - T,) - B -erzeugt, in der K und B Konstanten sind.

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2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ρ die Viskosität darstellt.
3. Meßsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine zylindrische Außenfläche besitzt und weitgehend fixiert, jedoch axial drehbar in einem Zylinder befestigt ist, und daß die zylindrische Oberfläche des Körpers nahe an der Innenwand des Zylinders zu liegen kommt.
4. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper in der besagten fixierten axialen Stellung zum Zylinder durch eine Torsionsfeder aufgehängt ist und die Antriebsvorrichtung über einen Elektromagneten erfolgt.
5. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber axis einem digitalen Phasenschieber mit einem einpoligen Umschalter besteht mit einem ersten und zweiten Kontakt zur Aufnahme des zweiten und dritten periodischen Signals, und daß die erste Vorrichtung einen Frequenzverstärker enthält zur Aufnahme eines dem ersten periodischen Signal direkt proportionalen Signals, und daß ferner der digitale Phasenschieber zwischen dem Frequenzverstärker und dem zweiten Kontakt liegt.
6. Meßsystem nach Anspruch 1", gekennzeichnet durch einen reversiblen Zähler, eine Torschaltung, die sich an den Frequenzverstärker und den Taktgeber anschließt, einen zweipoligen umschaltbaren Schalter, der an dem Ausgang der Torschaltung zum reversiblen Zähler hin liegt und dafür sorgt, daß das Ausgangssignal des reversiblen Zählers direkt proportional der Differenz (T - Tj₁) ist, wobei ferner die Torschaltung ein Ausgangssignal zum Betrieb des einpoligen und zweipoligen Schalters abgibt, daß ein erster und zweiter einstellbarer

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Frequenzteiler in dieser Reihenfolge angeschlossen sind, ferner durch einen Rücksetzzähler für die Taktgeberimpulse und eine Torschaltung an dem Rücksetzzähler und dem Ausgang des Frequenzverstärkers zur Weitergabe der f,-Impulse über eine konstante Zeitperiode zum Eingang des ersten einstellbaren Frequenzteilers, der an dem reversiblen Zähler angeschlossen ist, einer ersten Schaltmatrix, angeschlossen an dem zweiten einstellbaren Frequenzteiler zum Setzen der Konstakte K, einem Digitalcomputer mit einer zweiten Schaltmatrix zum Setzen der Konstakte B und einen Anzeiger, der zusammen mit dem Digitalcomputer sich an den zweiten einstellbaren Frequenzteiler anschließt.

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