DE3878473T2

DE3878473T2 - Wandler fuer fluessigkeiten.

Info

Publication number: DE3878473T2
Application number: DE8888301957T
Authority: DE
Inventors: David Ian Heaton Atkinson; Mark Jonathan Rudkin
Original assignee: Schlumberger Industries Ltd
Current assignee: Rosemount Measurement Ltd
Priority date: 1987-03-11
Filing date: 1988-03-07
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2008-03-08
Also published as: US4922745A; ATE85848T1; EP0282251A3; GB8705757D0; EP0282251B2; GB2202944A; EP0282251B1; GB8805371D0; DE3878473D1; DE3878473T3; EP0282251A2; JP2730903B2; GB2202944B; JPS63308528A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Fluidwandler und insbesondere auf Fluidwandler mit einem Vibrationselementesensor.
Solche Sensoren messen Parameter, wie die Dichte und den Druck, denen man ermöglicht, ein Vibrationselement zu beeinflussen und damit seine Resonanzfrequenz zu ändern. Dieses Element ist üblicherweise ein Rohr, das in einem Balkenmodus schwingt, oder ein Zylinder, der in einem Reifenmodus schwingt. In allen Fällen wird die Vibration durch Erfassen der Verlagerung oder der Zugspannung oder einer zeitlichen Ableitung derselben überwacht, und ein Treibersystem liefert eine Erregerkraft. Resonanz wird in dem gewählten Vibrationsmodus aufrechterhalten durch Schließen der Schleife mit einem geeigneten Rückkopplungsverstärker zwischen der Erfassung und dem Treiber. Dieser verstärkt das erfaßte Signal und überträgt es in der richtigen Phasenlage auf das Treibersystem.
Die Resonanzfrequenz des vibrierenden Elementes kann massenbelastet sein durch die Dichte des Fluids. Das Element erweckt den Anschein, daß es seine Masse um einen Betrag vergrößert hat, der bestimmt wird durch das Volumen des mitgenommenen Fluids, und demgemäß ist die Resonanzfrequenz in gegebener Weise mit der Dichte verknüpft.
Beschreibungen von Wandlern, die in Übereinstimmung mit diesen Prinzipien arbeiten, finden sich in den Britischen Patentschriften GB 1.264.317, GB 1.175.586 und GB 2.062.865.
Eine wichtige Anwendung von Wandlern dieses Typs liegt in der Messung von Fluidparametern, beispielsweise von Flüssigkeit, die in einer Pipeline strömt. Es ist deshalb wünschenswert, daß solche Wandler die Strömung so wenig wie möglich unterbrechen sollten. Wenn die gesamte Strömung bequem durch einen einzelnen Rohrwandler geführt werden kann, tritt nur eine geringe Strömungsbeeinträchtigung auf. Leider sind die Abmessungen eines praktischen Wandlers selten groß genug, um die gesamte Strömung ohne unzulässigen Druckabfall aufzunehmen, und so nimmt man oft Zuflucht zu komplizierten und unerwünschten Strömungsaufteilern, so daß ein Teil der Strömung in einen probenehmenden Wandler abgezweigt werden kann, oder der gesamte Strom vollständig mit einer Mehrzahl paralleler Wandler gemessen wird.
Auf dem Gebiet von Wandlern ist es ein bekanntes Ziel, einen Wandler zu schaffen, der ein Fluid mit niedriger Strömungsbeeinträchtigung messen kann. Eintauchwandler (das sind Wandler, die in eine Fluidmasse eingetaucht werden) sind praktisch mit vibrierenden Zylindersensoren, doch selbst diese bewirken oftmals unakzeptable Strömungsbeeinträchtigungen wegen der Notwendigkeit, das Element abzustützen, und wegen seiner dicht benachbarten Erregungs- und Abgreifmittel, die zu einer Struktur führen, die oft viel raumaufwendiger ist als das vibrierende Rohr selbst.
Eine andere bekannte Form von Eintauchwandler ist auf Seiten 156 bis 175 des "The Marconi Review", Band XLIII, Nr. 218, 1980, offenbart und umfaßt eine Stimmgabel, die in Resonanz schwingt während sie in das auszumessende Fluid eingetaucht ist, und zwar mittels Erregungsmitteln, die an den Zinken der Stimmgabel angebracht sind. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wandler dieser generellen Bauart zu schaffen mit einer alternativen Anordnung der Erregungsmittel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fluidwandler geschaffen, umfassend:
ein Sensorelement, ausgebildet für das Eintauchen in ein Fluid, welches Sensorelement ein Paar von Zinken umfaßt, die sich in einer Axialrichtung von einem gemeinsamen Joch erstrecken und über dieses miteinander gekoppelt sind, und die zu Resonanzschwingungen bei einer gleichen Frequenz, jedoch in Gegenphase, anregbar sind;
piezoelektrische Mittel, die innerhalb des Sensorelements montiert sind für die Erregung solcher resonanter gegenphasiger Vibrationen der Zinken; und
weitere piezoelektrische Mittel, die innerhalb des Sensorelements montiert sind für die Erfassung der Vibrationsfrequenz;
dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel unter axialer Kompression in einem Hohlraum in dem Joch in einem Bereich desselben dicht an dem Punkt montiert sind, wo die innere Seite einer der Zinken auf das Joch trifft.
Vorzugsweise sind die Erregungsmittel so angeordnet, daß eine kontinuierliche Erregung herbeigeführt wird.
Ein Fluidwandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein Densitometer ausgebildet sein durch Formgebung der Zinken derart, daß die Dichteempfindlichkeit gesteigert wird, vorzugsweise mit einer Wiedereintrittsoberfläche, wie einem C-Querschnitt, oder mittels eines Hohlraums nahe dem Zinkenendquerschnitt.
Um Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung besser einschätzen zu können, werden Beispiele, die brauchbar sind für das Verständnis der Erfindung, und Ausführungsformen der Erfindung nachstehend erläutert, wobei diese nur als Beispiel zu verstehen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten diagrammartigen Zeichnungen, von denen:
Figur 1 eine Teilschnittdarstellung eines Fluid-Densitometers der Bauart ist, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht;
Figur 2 eine Querschnittansicht der Zinken ist, die einen Teil des Densitometers nach Figur 1 bilden;
Figur 3 eine schematische Konstruktion des Wandlers nach Figur 1 zeigt;
Figur 4 einen Wandler der Bauart zeigt, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, ausgebildet für die Installation in einem Rohr;
Figur 5 die Elektronik zeigt, die zu dem Wandler nach Figur 4 gehört;
Figur 6 etwas schematisiert eine alternative Montageanordnung für den Wandler nach Figur 4 zeigt;
Figur 7 eine Querschnittansicht der Gabelzinken eines Viskometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Figuren 8 und 9, wiederum etwas schematisch, zwei alternative Ausführungsformen von Sensorelementen illustrieren für Fluidwandler gemäß der vorliegenden Erfindung.
In einem Fluidwandler 10 (Fig. 1) umfaßt ein Gabelsensorelement einen Jochabschnitt 11 und zwei vibrierbare Zinken 12, 14, die sich von diesem im wesentlichen parallel zueinander wegerstrecken. Der Jochabschnitt 11 dient außer zur Bildung der Gabelbasis auch als Support für die Zinken durch die Verbindung mit einem Supportflansch 15; die Verbindung erfolgt über einen Balgen 16, der eine Vibrationsisolation der Gabel relativ zu dem Supportflansch 15 darstellt.
Die Zinke 14 weist einen Hohlraum 17 auf, der in einem Wurzelabschnitt derselben ausgebildet ist, wobei an einer Innenoberfläche des Hohlraums ein piezoelektrisches Keramikelement 18 durch Verklebung befestigt ist. Das Joch 11, der Balgen 16 und der Supportflansch 15 haben innere Hohlräume (nicht im einzelnen gezeigt) derart, daß ein Knäuel von Drähten 19 intern vorgesehen werden kann, von denen ein Paar mit dem piezoelektrischen Element 18 verbunden ist, das demgemäß elektrisch erregt werden kann und dadurch die Vibration in der Gabel struktur anregen kann. Ein zweites piezoelektrisches Element 20 ist an einer benachbarten Oberfläche des Hohlraums 17 angeklebt, und mittels elektrischer Verbindung zu diesem Element kann ein Signal gewonnen werden, das repräsentativ ist für die Vibration der Zinke 14. Die Zinke 12 hat einen Hohlraum 102, in dem zwei piezoelektrische Elemente in ähnlicher Weise montiert sind zum Bewirken der Erregung und des Erfassens von Signalen bezüglich der Zinke 12.
Im Betrieb wird der Wandler so angeordnet, daß die Zinken vollständig in das zu vermessende Fluid eintauchen. Die Vibration wird erregt durch Ansteuern der beiden piezoelektrischen Erregerelemente, jeweils eines innerhalb jeder Zinke, und die beiden piezoelektrischen Erfassungselemente, wiederum eins innerhalb jeder Zinke, liefern ein Signal, das repräsentativ ist für das Vibrationsverhalten der Gabelstruktur. Die Erregung der Zinken ist so ausgebildet, daß die Zinkenvibration in einander entgegengerichteten Kragträgergrundmodus vorliegt. Dies hat den Vorteil, daß die Vibration ausgeglichen ist ohne Bewegung des Zentrums der Masse der Struktur. Umgekehrt hat eine erzwungene Bewegung der zentralen Masse, beispielsweise durch externe Vibration, nur minimalen Einfluß auf das Vibrationsverhalten der Gabel.
Wenn sich die Zinken bewegen, wird etwas von der umgebenden Flüssigkeit verlagert. Die effektive Masse der Zinken wird um einen Betrag vergrößert, der bestimmt ist durch das Volumen des Fluids, das von dem sich bewegenden Querschnitt mitgenommen wird. Demgemäß ist dieser Effekt in Beziehung zu der Fluiddichte, und es liegt ein Densitometer vor. Die Empfindlichkeit gegenüber Dichteänderungen ist größer, wenn die Menge mitgenommenen Fluids sich relativ zur Masse der Zinken vergrößert. Zu diesem Zweck sind die Enden der Zinken 12 und 14 mit C-Querschnitt (Fig. 2) ausgebildet mit einander zugekehrten Wiedereintrittsoberflächen 21, 22, welche beide dazu dienen, den Oberflächenbereich, der Fluid mitnimmt, zu vergrößern und das Querschnittsvolumen zu verringern, so daß die Zinke mehr Fluid mit sich führt, wodurch die Dichteempfindlichkeit erhöht wird. Zinken mit anderem Querschnitt, wie einem 'D'-Querschnitt, oder einfache Stäbe können verwendet werden, doch sind Querschnitte mit Wiedereintrittsoberflächen bevorzugt. Wenn andere Querschnitte verwendet werden, kann das Verhältnis der bewegten Fluidmasse zur Zinkenmasse verbessert werden durch Vorsehen von Hohlräumen, entweder offenen oder geschlossenen, in dem Querschnitt der Zinkenspitze.
Eine optional vorgesehene Schutzhülse 103 umschließt das Gabelelement 10. Wo die Hülse 103 befestigt ist, wird ein vergrößerter Supportflansch 104 verwendet. Die Hülse 103 ist so angeordnet, daß sie über den interessierenden Frequenzbereich nicht in Resonanz gerät, und kann beispielsweise aus einem Drahtgewebeaufbau bestehen, um einen Schutz für die Gabelstruktur zu bewirken, ohne die Strömung zu stark zu beeinträchtigen. Ein solcher Schutz kann wichtig sein, wenn eine Wahrscheinlichkeit besteht, daß innerhalb des vermessenen Fluids Fremdkörper auf die Zinken auftreffen können.
Bevor der Wandler der beschriebenen Ausführungsform betriebsmäßig mit Erfolg einsetzbar ist, ist eine Eichung erforderlich. Produktionswandler werden normalerweise geeicht in mindestens einer bekannten Flüssigkeit, und in einem hinreichenden Volumen derselben, daß im wesentlichen grenzenfreie Bedingungen vorliegen. Im Betrieb jedoch können Begrenzungen und Barrieren nahe der Gabel struktur unvermeidlich sein, und die Eichung wird ungültig, da Oberflächen in dem vermessenen Fluid nahe dem Wandler wirksam die durch das Fluid addierte Masse erhöhen.
Ein Wandler mit einer alternativen Form der Abschirmhülse 103 liefert eine Lösung für dieses Problem. Die Hülse 103 kann hergestellt werden durch Ausbilden eines im wesentlichen massiven Zylinders rings um den Gabelaufbau, wobei die Hülse 103 starr an dem Supportflansch 104 befestigt wird. Eine öffnung 105 ermöglicht den Eintritt und Austritt des zu vermessenden Fluids. Diese Form von Abschirmhülse dient dazu, eine bekannte und wiederholbare Begrenzung zu definieren, und der Gabelwandler mit seiner Hülse kann deshalb gemeinsam geeicht werden, welche Eichung gültig bleibt selbst beim Vorhandensein von Begrenzungen nahe dem Messbereich.
Vibrationselementwandler haben eine Temperaturcharakteristik, die abhängt von der Veränderung des Young-Modulus des Materials, das verwendet wird, mit der Temperatur und seiner thermischen Expansion. Für einen praktischen Wandler ist die Eichung gegen die Temperatur vorteilhaft zwecks Kompensation bezüglich Temperatureffekten. Zu diesem Zweck weist der Stimmgabelwandler 10 einen Hohlraum 106a auf, der einen intern montierten Temperatursensor 106 enthält, zu dem der elektrische Anschluß erfolgt über Drähte in dem Bündel 19.
Der Wandler 10 kann relativ einfach aufgebaut sein. Für das Vermessen von Öl beispielsweise kann die Gabel struktur 10 aus einem Zylinder 30 (Fig. 3) aus Metall maschinell hergestellt werden, welcher Zylinder 100 mm Länge und 35 mm Durchmesser aufweist. Zunächst kann der Außenoberflächenabschnitt 36 weggefräst werden zum Definieren der äußeren Zinkenoberfläche und des Jochabschnitts 15. Ein Schlitz 31 kann dann gebildet werden, der sich bis zu einer Tiefe erstreckt, welche die schließliche Länge der Zinken bestimmt, und gemäß einem Durchmesser der perforierten Endseite (Fig. 3c), welche eine Draufsicht auf eine Endfläche des Zylinders 30 zeigt. Der Schlitz 31 dient dazu, die Trennung zwischen den Zinken herbeizuführen.
Ein Loch 32 kann in die geschlitzte Endseite gebohrt werden, und weitere Löcher 33, 34 und 35 können in die ihr abgekehrte Endfläche gebohrt werden (Fig. 3a, die eine Draufsicht auf das andere Ende des Zylinders 30 zeigt). Löcher 33 und 35, die sich bis zu einer Tiefe erstrecken, die den Schlitz 31 überlappt, dienen dazu, Hohlräume in den Zinkenwurzelquerschnitten auszubilden für das spätere Einführen der piezoelektrischen Elemente. Die Löcher 33 und 35 werden auf einen größeren Durchmesser aufgebohrt (39 bzw. 300), womit die Zinkenwurzelhohlräume auf größeren Durchmesser erstreckt werden. Das Loch 34 ist angepaßt zur Aufnahme eines Temperatursensors. Das Loch 32 dient dazu, eine Wiedereintrittsoberfläche auf den endgültigen Zinken herzustellen, welche demgemäß einen 'D'-Querschnitt haben. Vorzugsweise ertreckt sich das Loch 32 über die gesamte Länge der Zinken.
Piezoelektrische Elemente können nun in ihrer Position in den Löchern 33 und 35 verklebt werden, und ein Temperatursensor in das Loch 34, wie man aus den äquivalenten Hohlräumen 17, 102 und 106a (Fig. 1) ersieht. Vorteilhafterweise sind die Löcher 34 und 35 von komplizierterer Schlitzform 37, 38 (im Umriß in Fig. 3 gezeigt), um einander gegenüberliegende flache Oberflächen in jedem Hohlraum herzustellen, an denen die piezoelektrischen Elemente angeklebt werden können. Solche komplizierteren Formen können erzeugt werden mittels Funkenerosion für den Fall einer metallischen Gabel.
Der Balgen 16 ist aus einem dünnwandigen Zylinder gebildet, wobei die Nachgiebigkeit dank zweier gefalteter Abschnitte 107, 108 herbeigeführt wird. Der Balgen 16 ist mit dem Jochabschnitt 11 des Wandlers 10 rings um einen Passumfang 109 verschweißt.
Die Supportplatte 15 (104 mit Abschirmhülse) kann von irgend einer zweckmäßigen Form sein, und bespielsweise ausgebildet sein zum Einführen und Abdichten mit einer Anzapfung in einem Fluidleitungsrohr mittels Gewindeabschnitt 110 und O-Ring 111. Der Balgen 16 wird rings um einen Umfang 112 angeschweißt. Wenn die Hülse 103 angebracht ist, ist auch diese verschweißt. Ein Hohlraum in der Supportplatte 15, die Hohlheit des Balgens 16 und die Verlängerung der Zinkenwurzelhohlräume 17 und 102 führen zu einem Innenhohlraum, der als Zugang dient für das Plazieren von Drähten für die übertragung elektrischer Signale. Der Ausgang der Drähte 19 kann abgedichtet sein und der Hohlraum mit einem bekannten und inerten Gas gefüllt werden, wodurch beispielsweise interne Korrosion und Wasserkondensation verhindert werden. Alternativ kann der Hohlraum evakuiert wird.
Die Charakteristik des Wandlers 10, die verwendet wird, wenn der Wandler beispielsweise als Fluiddichte-Wandler eingesetzt wird, ist die der Änderung der Resonanzvibrationsfrequenz mit der Änderung der Dichte des mitgenommenen Fluids. Um die Frequenz zu messen, können verschiedene Alternativen eingesetzt werden, von denen eine nachstehend beispielshalber beschrieben wird.
Vibration wird erregt durch Anlegen von Spannung an eine piezoelektrische Komponente, die an einem Punkt hoher Zugbelastung (wenn Vibration stattfindet) an einer Zinke montiert ist und von der natürlichen Achse entfernt ist, beispielsweise Piezoelement 18. Das Anlegen von Spannung bewirkt, daß die Piezokomponente Beanspruchungen auf die Zinkenwurzel überträgt und wieder entspannt dank ihrer Kontraktion und Verklebung, wodurch wiederum die Vibration erregt wird. Wenn umgekehrt ein piezoelektrisches Element an einer Struktur an einem Punkt sich ändernder Belastung angeklebt ist, wird sie ein Signal erzeugen, das repräsentativ ist für eine Belastungsänderung, und das aufgefangen werden kann. Wenn demgemäß einmal die Vibration etabliert worden ist durch Anspeisen des piezoelektrischen Elements, kann der Antrieb abgestellt werden und ein Signal gewonnen werden, das repräsentativ ist für die nachfolgende Vibration. Alternativ kann ein erstes piezoelektrisches Element verwendet werden zum Erregen der Vibration und ein zweites verwendet werden zum Auffangen des Vibrationssignals. In ähnlicher Weise kann entweder ein einzelnes Element oder ein getrenntes Treiberelement und ein getrenntes Erfassungselement, jeweils eins in jeder Zinke, plaziert werden. Als eine Alternative zur intermittierenden Erregung kann kontinuierliche Erregung mit entweder einem oder zwei Elementen vorgesehen werden, und entweder ein oder zwei Auffangelemente können verwendet werden.
Der Fluiddichte-Wandler nach Fig. 4 ist bei 40 dargestellt und wird kontinuierlicher Erregung unterworfen durch piezoelektrische Treiberelemente 41 und 42, montiert auf Außenoberflächen in Hohlräumen von Zinken 43 bzw. 44. Elektrische Verbindungen, wie die Verbindung 45 des piezoelektrischen Elements 41, führen zu einem Elektronik-Klemmbrett 46, das innerhalb eines Gehäuses 47 untergebracht ist. Die Verbindungen sind mit a bis j bezeichnet. Eine Funktion des elektronischen Klemmbretts besteht darin, ein Erregersignal den Elementen 41 und 42 zuzuführen, und demgemäß sind diese Elemente parallelgeschaltet und werden angespeist von einem Halteverstärker 50 (Fig. 5). Das Eingangssignal für den Verstärker 50 wird abgeleitet von piezoelektrischen Auffangelementen 47 bzw. 48, die in den Hohlräumen der Zinken 43 bzw. 44 montiert sind. Signale von den Elementen 47 und 48 sind mit dem nicht-invertierenden bzw. invertierenden Eingang eines Zwei -Eingangs-Differentialverstärkers 51 verbunden. Es ist festzuhalten, daß, da Signale von den Auffangelementen in entgegengerichtetem Sinne mit den Eingängen entgegengesetzter Polarität verbunden sind, gewöhnliches Rauschen eliminiert wird. Der Ausgang des Verstärkers 51 ist über einen Phasenschieberkreis 52 mit dem Eingang des Halteverstärkers 50 verbunden, um eine Rückkopplung zwischen der erregten und der erfaßten Vibration zu etablieren. Der Wandler 40 wird demgemäß in kontinuierlicher Vibration gehalten. Der Phasenschieberschaltkreis 52 in dem Rückkopplungspfad dient dazu sicherzustellen, daß der richtige Vibrationsmodus aufrechterhalten wird, wie in größeren Einzelheiten unten beschrieben wird.
Der Ausgang des Eingansdifferenzverstärkers 51 ist ein periodisches Signal, das repräsentativ ist für die Vibrationsfrequenz des Fluidwandlerelements. Wie oben beschrieben, hängt der Ausgang ab von der Temperatur, und demgemäß wird das Signal korrigiert bezüglich der Temperatur durch Addieren eines Versatzes 53 im Ansprechen auf ein Signal von einem Temperatursensor 400. Der Grad der angewandten Korrektur wird individuell für jeden Wandler geeicht. Das korrigierte Signal wird als ein Ausgangssignal k durchverbunden, beispielsweise über einen externen elektrischen Stecker 49. Dieses Signal (d.h. zwischen k und l) ist dadurch repräsentativ für die Dichte des Fluids, von dem der Wandler umgeben ist. Alternativ kann ein unkorrigiertes Signal ausgegeben werden für die übertragung zu externen Rechnermitteln, welche Korrektur- und Eichwerte speichern.
Der Rückkopplungspfad über den Eingangsverstärker 51, den Phasenschieberschaltkreis 52 und Halteverstärker 50 ist so ausgebildet, daß jede Zinke 47, 48 des Wandlers mit seinem Kragträgergrundmodus in abgeglichener Weise vibriert. Die Verwendung von zwei Treiberelementen und zwei Auffangelementen erleichtert das Problem des Sicherstellens, daß das Element zuverlässig in den richtigen abgeglichenen Vibrationsmodus gelangt. Es hat sich gezeigt, daß dies erreicht werden kann durch Justieren des Phasenschieberschaltkreises 52. Der Phasenschieberschaltkreis kann auch eingestellt werden zum Unterstützen anderer Vibrationsmoden, falls dies erforderlich ist.
Aus Vorstehendem ergibt sich eine Anzahl von Vorteilen der Wandler 10 bzw. 40.
Da die Wandler eine massive Oberfläche dem zu messenden Fluid aussetzen, werden Probleme der Kontamination des Inneren und potentiell unzuverlässige Abdichtanordnungen für die Elektronikklemmplatten vermieden. Darüber hinaus beseitigt diese Solidität jegliche Abhängigkeit von dem Druck des Fluids, das zu messen ist, welche Abhängigkeit ein Charakteristikum von Wandlern des Hohlrohr- und Zylindertyps is, wo Druckeffekte infolge einer Differenz zwischen Innen- und Außendruck auftreten. Die Installation des Wandlers ist einfach, beispielsweise durch eine Rohrleitung oder eine Tankwandung. Der Wandler 40 ist ausgebildet zur Montage in einer Wandung 401 einer Rohrleitung über einen Befestigungsflansch 402. In einigen Anwendungsfällen ist keine Vibrationsisolation erforderlich, und der Wandler 40 wird direkt an den Flansch 402 angeschweißt, was eine einfache und hochsichere Konstruktion ergibt.
Wo der Aufprall von Fremdkörpern oder nahe Oberflächen erwartet werden, kann optional eine Abschirmhülse passenden Typs angebracht werden, wie bereits beschrieben. Ein anderer Umstand, wo eine Abschirmhülse vorteilhaft ist, liegt bei von Hause aus sicheren Wandlern vor, wo das Verhindern von Stößen sicherstellt, daß keine großen Zinkenausschläge hohe und potentiell gefährliche Spannungen hervorrufen können durch die Piezoelemente mit hoher Impedanz. Ein solcher abgeschirmter geeichter Wandler kann angepaßt werden zur Anwendung als tragbares Fluidmeßgerät, das im wesentlichen als Eintauchstab angewandt werden kann, da die Struktur im wesentlichen unempfindlich ist gegen Vibration, die induziert werden könnte durch den Betrieb von Hand aus wegen der ausgeglichenen Vibration.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von zwei Auffangelementen besteht darin, daß die erfaßten Signale so angeschlossen werden können, daß jegliche Signale gemeinsamen Modus, die während der übertragung auftreten, unterdrückt werden können.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Wandler 10 und 40 besteht in dem kleinen Querschnitt, der den strömenden Fluiden ausgesetzt wird. Beispielsweise ist der Querschnitt, der von dem Wandler 40 einem in Rohrleitung 401 in einer Richtung 403 strömenden Fluid präsentiert, nur der einer einzigen Zinke, der bei Öl typischerweise 70 x 2.5 mm² beträgt, im Vergleich mit einem Gesamtrohrleitungsquerschnitt von 80500 mm², was zu sehr geringen Strömungsbeeinträchtigungen führt. Eine Gabelstruktur mit Zinken dieser Abmessungen aus Metall hat eine Freiluftresonanz mit einer Frequenz im Bereich von 1 KHz.
Man erkennt, daß durch Montieren der Gabelstruktur um 90º verdreht ein noch kleinerer störender Querschnitt präsentiert werden kann. Eine bevorzugte Alternative, wenn Strömung in einer engen Basisrohrleitung 60 (etwa 50 mm Durchmesser) zu messen ist, ist das Montieren der Gabelstruktur 61 in einem Krümmerabschnitt 62 (Figur 6). Dabei wird realisiert, daß dadurch eine den Rohrdurchmesser übersteigende Zinkenlänge Platz findet. Das Einführen der Gabel struktur in die Strömungsstrecke bewirkt nur gering signifikanten zusätzlichen Druckabfall über jenen hinaus, der bereits durch den Krümmer hervorgerufen wird. Ein Vorteil ist, daß Krümmerabschnitte oft mit Inspektionsplatten für das Einführen von Sonden versehen sind, woran der Wandlerflansch 63 ohne weiteres anpaßbar ist.
Da die Zinken in einer Flüssigkeit vibrieren, schneiden die Zinken durch das Fluid im Schermodus. Die Vibration hängt deshalb ab von der Scherfestigkeit des Fluids und damit seiner Viskosität. Generell können die Zinken eines Densitometers so ausgelegt werden, daß Viskositätseffekte minimiert werden, indem das mitgenommene Fluidvolumen relativ zu dem Schneideffekt maximiert wird, wie bei den oben beschriebenen Zinken mit C-Querschnitt und hohlen Zinken. Wie in vielen Anwendungsfällen, ist nur ein Vermessen über einen kleinen Viskositätsbereich erforderlich (z.B. typischerweise ± 10 Cp für Öl), so daß Viskositätseffekte vernachlässigbar sind. Wenn größere Viskositätsänderungen erwartet werden, können jedoch zusätzliche Korrekturen und Eichungen vorteilhaft sein.
Die Phasendifferenz zwischen dem Erregersignal und dem Auffangsignal nimmt generell zu mit der Viskosität, und indem man den Phasenschieberschaltkreis 52 so arbeiten läßt, daß er eine konstante Phase aufrecht erhält, wird die Viskositätsempfindlichkeit verringert. Zwei Vibrationsmoden, welche jeweils unterschiedliche Dichte/Frequenz und Viskosität/Frequenz-Charakteristiken aufweisen, können erregt werden und führen zu simultanen Systemgleichungen, aus denen die Viskosität eliminiert werden kann. Eine detaillierte Beschreibung eines Zwei-Moden- Systems läßt sich in der Beschreibung der anhängigen Britischen Patentanmeldung 86 24339 (Veröffentlichungs-Nr. 2182439) finden. Eine alternative Korrekturannäherung besteht darin, die Amplitude der Vibration zu messen, die sich mit der Viskosität ändert, da das Q des Systems sich ändert, wenn höhere Dämpfung vorliegt mit höher viskosen Flüssigkeiten. Solche Korrektur muß individuell für jeden Wandler geeicht werden.
Eine noch weitere Möglichkeit besteht darin, zwei Wandler einzusetzen, die jeweils unterschiedliche Dichte/Frequenz und Viskosität/Frequenz-Charakteristik aufweisen.
In einer alternativen Form der vorliegenden Erfindung kann der Zinkenquerschnitt so ausgebildet werden, daß die Viskositätsempfindlichkeit gesteigert wird, wodurch man ein Flüssigkeitsviskometer erhält. Zinkenquerschnitte, die ein verringertes Volumen mitnehmen, jedoch eine große Oberfläche aufweisen für den Schlepp, sind deshalb vorteilhaft. Zinken 60 und 61 (Fig. 7) nehmen wenig Flüssigkeit mit, werden jedoch von dem Schlepp (und demgemäß der Viskosität) beeinflußt, wenn sie in ihrer Ebene der langgestreckten Form zur Vibration gebracht werden. Es versteht sich deshalb, daß ein Wandler mit Zinken eines solchen Querschnitts ein Flüssigkeitsviskometer darstellt analog dem Fluiddensitometer, das oben beschrieben wurde.
Bei den bis jetzt beschriebenen Wandlern wurden die piezoelektrischen Erreger- und Erfassungselemente in den Zinken montiert. Um diese Wandler gemäß der Erfindung zu modifizieren, sind zumindest die Erregerelemente in dem Joch montiert, wie in Figuren 8 und 9 gezeigt.
Demgemäß ist bei dem Wandler nach Figur 8 ein zylindrischer Hohlraum 831 in Joch 836 ausgebildet, und ein ringförmiges piezoelektrisches Element 830 ist unter einer vorbestimmten Druckbelastung in dem Hohlraum so montiert, daß es koaxial damit ist. Dies kann erreicht werden, indem man das Joch aus zwei getrennten Teilen anfertigt, die verschweißt werden zum Einschließen des piezoelektrischen Elements. Das piezoelektrische Element 830 ist von den Wandungen seines Hohlraums 831 isoliert und ist symmetrisch in dem Hohlraum bezüglich der Zinken 834, 835 positioniert. Der Durchmesser des Elements 830 ist so, daß es durch Bereiche des Hohlraums 831 dicht an den hochbelasteten Bereichen des Jochs 836 verläuft, wo die inneren Seiten 832, 833 der Zinken 834, 835 auf das Joch treffen.
Wenn eine Wechselspannung an das Element 830 angelegt wird, so versucht es, sich alternierend zu expandieren und kontrahieren in einer Vertikalrichtung (wie in Figur 8 zu sehen) mit der Tendenz, die untere Oberfläche des Jochs 836 und demgemäß die Zinken 834, 835 einwärts und auswärts auszulenken, d.h. sie zu einer Vibration in Gegenphase zu bringen.
Schließlich sind in dem Wandler nach Figur 9 entsprechende plattenförmige piezoelektrische Erregerelemente 840, 841 im Joch 842 nahe den hochbelasteten Bereichen untergebracht, wo die inneren Seiten 843, 844 von Zinken 845, 846 auf das Joch treffen. Die Elemente 840, 841 sind in entsprechenden Hohlräumen untergebracht, die in das Joch 842 von der Oberseite eingebohrt sind, und werden unter einer vorgegebenen Druckspannung gehalten durch entsprechende Stopfen 847, 848, die von der Oberseite des Jochs 842 her in diese Hohlräume geschraubt sind. Anlegen einer Wechselspannung an die Elemente 840, 841 bewirkt wiederum, daß die Zinken 845, 846 in Gegenphase vibrieren.
Bei jedem der Wandler nach Figuren 8 und 9 kann das piezoelektrische Abtastelement in irgend einem zweckmäßigen Ort innerhalb der Zinken oder des Jochs untergebracht werden, wo es Beanspruchungen durch die Vibrationen der Zinken ausgesetzt wird und demgemäß diese abfühlt. Darüber hinaus können diese Wandler alle Vibrationsisolationsmittel der in Figur 9 gezeigten Form aufweisen, umfassend ein kegelstumpfförmiges Bauteil 849, das mit seiner Basis an die Oberseite des Jochs angeschweißt ist und mit seinem engeren Ende beispielsweise in einem Flanschglied festgelegt ist (oder einem sehr kurzen Rohrabschnitt), ausgebildet zum Einführen in Strömungsserie in eine Leitung, die das Fluid führt, in das der Wandler einzutauchen ist.
Man erkennt, daß die Wandler nach Figuren 8 und 9 beide entsprechende Durchtritte aufweisen für die Herstellung elektrischer Verbindungen zu den piezoelektrischen Erreger- und Abfühlmitteln von der Oberseite ihrer entsprechenden Joche. Diese Durchtritte sind jedoch in Figuren 8 und 9 zur Vereinfachung sämlich weggelassen.

Claims

1. Ein Fluidwandler, umfassend:

ein Sensorelement (10), ausgebildet für das Eintauchen in ein Fluid, welches Sensorelement ein Paar von Zinken (834, 835; oder 845, 846) umfaßt, die sich in einer Axialrichtung von einem gemeinsamen Joch (836 oder 842) erstrecken und über dieses miteinander gekoppelt sind, und die zu Resonanzschwingungen bei einer gleichen Frequenz, jedoch in Gegenphase, anregbar sind;

piezoelektrische Mittel (830; oder 840, 841), die innerhalb des Sensorelementes montiert sind für die Erregung solcher resonanter gegenphasiger Vibrationen der Zinken; und

weitere piezoelektrische Mittel (20 oder 48), die innerhalb des Sensorelementes montiert sind für die Erfassung der Vibrationsfrequenz;

dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel (830; oder 840, 841) unter axialer Kompression in einem Hohlraum (831; oder 850, 851) in dem Joch (836 oder 842) in einem Bereich desselben dicht an dem Punkt montiert sind, wo die innere Seite (832 oder 833; oder 843 oder 844) einer der Zinken (834 oder 835; oder 845 oder 846) auf das Joch trifft.

2. Ein Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsmittel (830; oder 840, 841) für die Bereitstellung einer kontinuierlichen Erregung ausgebildet sind.

3. Ein Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (831) symmetrisch in dem Joch bezüglich der Zinken positioniert ist.

4. Ein Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine das Sensorelement (10) umgebende Schutzhülse (103).

5. Ein Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch Montagemittel (15) für das Montieren des Sensorelements für das Eintauchen in das Fluid, und durch Vibrationsisolationsmittel (16 oder 849) für das Isolieren des Sensorelements (10) von den Montagemitteln.

6. Ein Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsisolationsmittel einen Balgen (16) umfassen.

7. Ein Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsisolationsmittel ein Kegelstumpfglied (849) umfassen, das mit seiner Basis an dem gemeinsamen Joch (842) und mit seinem schmaleren Ende an den Montagemitteln (15) befestigt ist.

8. Ein Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zinken (12, 14) eine Wiedereintrittsoberfläche (21, 22) aufweist, die in der Vibrationsrichtung gekehrt ist, wodurch die Empfindlichkeit des Sensorelements gegenüber der Fluiddichte gesteigert wird.

9. Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zinke (60, 61) einen generell elliptischen Querschnitt aufweist, wobei die Hauptachse des elliptischen Querschnitts sich in der Vibrationsrichtung der Zinke erstreckt, wodurch die Empfindlichkeit des Sensorelements gegenüber der Fluidviskosität erhöht wird.