CH615506A5 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung eines dem Massendurchsatz eines durch eine Rohrleitung strömenden Fluids direkt proportionalen Ausgangssignal mit einem Dichtemessgerät, welches einen in Schwingungen zu versetzenden Teil enthält, dessen Frequenz ein Mass für die Dichte des Fluids darstellt, die von einer ersten Auswertevorrichtung angezeigt wird.

Ähnliche Anordnungen sind bereits bekannt, es sei hier z.B. auf die Schweizerpatente Nr. 543 085,538 685,544 934 hingewiesen.

Im vorliegenden Patent wird eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung angegeben, in welcher die Dichtemessgerätsonde von einem Schild umgeben ist.

Auch solche Konstruktionen sind nicht unbekannt, siehe z.B. das Schweizerpatent Nr. 600 324.

Neu gegenüber dem Stand der Technik ist jedoch die Bauweise, die Form des Schildes, welcher, in eine von einem Fluid durchströmte Rohrleitung getaucht, eine Ablösung der durch

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die Strömung des Fluids verursachten Wirbel in der Nähe des in Schwingung zu versetzenden Teils bewirkt.

Bekanntlich steht nun die Schwingungsfrequenz f des schwingenden Teils in quadratischer Abhängigkeit zur Dichte d s des Fluids, wobei d = AT2-B ist (bei A=konst, B=konst und T = —).

Nun werden die dem schwingenden Teil eingeprägten Schwingungen durch eine Hüllkurve amplitudenmoduliert, deren Frequenz fv von der Wirbelablösung beeinflusst ist, wobei - wieder bekanntlich -

Kfv der Volumendurchsatz des Fluids durch die Rohrleitung ist (bei K=konst).

15 Das Produkt der beiden Grössen, nämlich Kfv • (AT2-B)

ergibt den gesuchten Massendurchsatz m in kg/sec.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

2o Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Dichtemessgeräts-Sonde, eines Teils ihrer Befestigung und eines Teils der Rohrleitung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Rohrleitung, in der eine herkömmliche Sonde befestigt ist, die einen gemäss der vorlie-25 genden Erfindung ausgebildeten Schild aufweist,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Sonde nach Fig. 2, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Schildhälfte aus Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Schild nach der vorliegenden m Erfindung,

Fig. 6 einen Aufriss der Schildhälfte entlang der Linie 6-6 in Fig. 5, wobei die Sonde innerhalb des Schildes angeordnet ist, Fig. 7 einen Längsschnitt durch den Schild entlang der Linie

7-7 in Fig. 6,

35 Fig. 8 einen Querschnitt durch den Schild entlang der Linie

8-8 in Fig. 6,

Fig. 9 ein Blockschema eines Schwingungs-Dichtemessge-räts nach dem Stand der Technik und

Fig. 10 ein Blockdiagram der Anordnung nach der vorlie-genden Erfindung.

Bauteile herkömmlicher Dichtemessgeräte können bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden.

Die unter der Bezugsziffer 20 in Fig. 1 gezeigte Sonde eines Dichtemessgeräts besitzt als schwingungsfähiges Element eine 45 Platte 21, die dadurch in Schwingung versetzt wird, dass das Ausgangssignal eines piezoelektrischen Kristallaufnehmers 104 (Fig. 3) verstärkt und einer magnetostriktiven Antriebsvorrichtung 400 (Fig. 3) zugeführt wird. Diese bringt dann die Platte 21 (113 in Fig. 3) zum Schwingen. Die Resonanzschwingungsfre-5o quenz der Platte ist eine bekannte Funktion der Dichte des eine Rohrleitung 22 durchströmenden Fluids, in dem die Platte 21 eingetaucht ist.

Die Sonde 20 ist identisch mit der im Schweizerpatent Nr. 600 324 beschriebenen. Die Verbindungsrohrleitung 23 und 24 55 sowie eine Schlaufdose 25 dienen ganz einfach als Hülle für die Ausgangsleitung der Sonde 20.

Die Leitungen 23 und 24, die Schlaufdose 25 und das Sondenteil 26 sind fest miteinander verbunden. Ein weiteres Sondenteil 27 ist an dem Sondenteil 26 befestigt. Es hat ein so Oberteil 28 mit einem grösseren Durchmesser und ein Unterteil 29 mit einem kleineren Durchmesser und einem Aussengewinde. Ein Schaft 30 ist an dem Unterteil 29 und einem Zylinder 31 befestigt. Die Platte 21 ist mit ihren gegenüberliegenden Kanten in dem Zylinder 31 fixiert, siehe auch Fig. 3, Platte 113, 65 Zylinder 112.

Die Rohrleitung 22 besitzt einen zylindrischen Ansatz 32 mit einem Innengewinde 33. Das Unterteil 29 wird in das Innengewinde 33 des Ansatzes 32 eingeschraubt.

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Die Bodenfläche des Oberteils 28 kann eben sein und in einer Ebene senkrecht zur Achse der Sonde 20 liegen, so dass sie auf einem O-Ring 35 des Ansatzes 32 aufsitzt; dieser O-Ring dichtet die Sonde 20 in der Rohrleitung 22 ab.

Fig. 2 zeigt die nach der vorliegenden Erfindung konstruierte Sonde mit einem Sondenschild 62.

Die Rohrleitung 70 in Fig. 2 besitzt einen hohlzylindrischen Ansatz 71, der bei 72 an das Bauteil 73 angeschweisst ist; ein Flansch 74 ist durch Schraubbolzen 77 an dem Flansch 75 des Aufsatzteils 76 an mehreren Stellen befestigt.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Sonde 60. Ein an beiden Enden offenes, magnetostriktives Rohr 101 sitzt fest in einem Bauteil 102. Das Bauteil 102 weist ein Loch 103 zur Aufnahme der Leitungsdrähte vom piezoelektrischen Kristall 104 und ein Loch 105 zur Aufnahme der Leitungsdrähte von der Antriebsspule 106 auf, die auf ein dielektrisches Rohr 107 gewickelt ist, welches fest auf dem Rohr 101 sitzt. Das Rohr 101 erstreckt sich mit seinem unteren Teil durch ein kreisförmiges Loch des Zylinders 110 und drückt gegen die äussere zylindrische Oberfläche des Zylinders 112. Die Platte 113 ist in dem Zylinder 110 in der oben bereits erwähnten Weise fixiert. Das gleiche gilt für den Kristall 104.

Die Verwendung eines Vorverstärkers an der Sonde ist üblich. Ein derartiger Vorverstärker kann bei 114 in Fig. 3 angebracht sein.

Der Schild 62 besteht aus zwei Hälften, von denen eine in Fig. 2 zu sehen ist. Sie sind (bis auf die teilweise nur durch eine der Hälften hindurchgehenden Löcher und die in entsprechenden Löchern der zweiten Hälfte verschiebbaren Kopfschrauben) identisch. Die Schrauben halten bei 200 die beiden Hälften um die Sonde 60 herum zusammen.

Der Schild 62 besitzt einen Schaft 201 mit einem Flansch 202, der an der Vorrichtung 400 an entgegengesetzten Seiten derselben durch eine Kopfschraube 203 befestigt ist.

Die Konstruktion des erfindungsgemässen Schildes ist neu. Sie weist einen elliptischen Querschnitt auf, und zwar in der zur Ebene der Figur 2 senkrecht gelegenen Ebene, und stellt über die gesamte Länge B einen elliptischen Zylinder dar. Der Teil C kann ein halber elliptischer Körper sein.

Die Hälfte 204 des Schildes 62 in Fig. 4 enthält die Flanschhälfte 205, den halben Schaft 206 und das halbe Bauteil 207. Der Flansch 205 weist ein Loch 208 auf. Das Bauteil 207 hat zwei Bohrungen zur Aufnahme von Allen-Kopfschrauben 209 und 210. Der Schaft besitzt die Bohrung 211, die in die Bohrung 212 mündet, die das Bauteil 207 durchdringt. Die Kanten 213 und 214 bilden die Hälfte einer Ellipse und die gestrichelten Linien 215 und 216 bilden eine identische Ellipsenhälfte; das Bauteil dazwischen ist eine massive, ellipsenförmige Zylinderhälfte, durch die die Bohrung 211 und 212 und die Bohrlöcher 209 und 210 hindurchgehen. Unter der Ebene der Halbellipse, die durch die gestrichelten Linien 215 und 216 begrenzt ist, wird das Bauteil 207 aus einem Viertel eines ellipsenförmigen Rotationskörpers gebildet. Jede Halbellipse hat eine lange Achse Da und eine kurze Achse D,. Die kurze Achse D; ist gleich gross wie der Aussendurchmesser des Schaftes 206.

Fig. 5 zeigt die Schildhälften 204 und 217. Bei der Sonde 60 nach Fig. 6 erkennt man, dass die Bohrung 211 und 212 einen geringen Spielraum A besitzen, der im Vergleich zu den anderen Dimensionen der Figur klein ist.

Die Anordnung der Sonde 60 im Schild 62 ist auch aus Fig. 7 ersichtlich.

Fig. 8 zeigt, wie die durch die Pfeile 218 und 219 angedeutete Wirbelablösung, durch den sich in Richtung des Pfeiles 220 fortbewegenden Fluidstrom erzeugt wird.

In Fig. 9 ist das an sich bekannte elektrische Blockschema der Sonde 60, enthaltend die Antriebsspule 106, den piezoelektrischen Kristall 104 und den Vorverstärker 221, zusammen mit der schwingungsfähigen Platte 113, nach dem Stand der Technik gezeigt. Die Sonde 60 besitzt die Eingangsleitung 222 und die Ausgangsleitung 223.

Weitere Blöcke in Fig. 9 stellen die Schleifenschaltung 224, den digitalen Funktionsgenerator 225 und die Auswertevorrich-5 tung 226 dar. Die Schleifenschaltung 224 besitzt die Eingangsleitung 227 und die Ausgangsleitungen 228 und 229. Der digitale Funktionsgenerator 225 hat eine Eingangsleitung 230 vom Ausgang der Schleifenschaltung her. Der Ausgang des digitalen Funktionsgenerators 225 führt in die Auswertevor-io richtung 226.

Die Ausgangsleitung 223 der Sonde 60 führt in den Eingang 227 der Schleifenschaltung 224. Die Eingangsschaltung 222 der Sonde 60 ist mit der Ausgangsleitung 228 der Schleifenschaltung 224 verbunden. Die Sonde 60 und die Schleifenschaltung 15 224 bilden die geschlossene Schleife eines elektromechanischen Oszillators. Die Platte 113 wird in ein Fluid eingetaucht, dessen Dichte aus der Schwingungsfrequenz des Flügels 113 ermittelt werden kann.

Die Eingangsleitung 230 des digitalen Funktionsgenerators 225 kann an die Ausgangsleitung 228 oder an einen andern Punkt der Schleifenschaltung 224 angeschlossen sein. Letztere gibt eine Rechteckschwingung an die Eingangsleitung 230 des digitalen Funktionsgenerators 225 ab, die ein Impuls-Pausenverhältnis von 1:1 hat.

25 Die Auswertevorrichtung 226 nach Fig. 9 kann ein analoger, digitaler oder im binär kodierten Dezimalsystem arbeitender Prozessregler, eine Dichteanzeigevorrichtung oder dergleichen sein.

,(1 Arbeitsweise

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausbildungsform bilden die Sonde 60 und die Schleifenschaltung 224 einen elektromechanischen Oszillator, der bei einer von der Dichte des Fluids, in dem die Platte 113 eingetaucht ist, abhängigen Frequenz schwingt. 1S Das gleiche gilt für die Impulsfrequenz des Rechtecksignals, das an der Eingangsleitung 230 des digitalen Funktionsgenerators 225 ansteht.

Der digitale Funktionsgenerator 225 arbeitet als digitale Linearisierungsschaltung und erzeugt ein der Dichte direkt pro-« portionales digitales Ausgangssignal aus dem Eingangssignal, das ihm durch die Eingangsleitung 230 eingegeben wird.

Das Blockdiagramm der Fig. 10 zeigt nun die Anordnung, wie sie erfindungsgemäss ausgebildet ist. Hierbei können die Teile 60', 106', 113', 104', 221', 223', 224', 229', 225', und 4ä 226' mit den Teilen 60,106,113,104, 221, 223, 224, 229, 225, und 226 aus Fig. 9 identisch sein.

Die Vorrichtung 231 in Fig. 10 kann mit der Auswertevorrichtung 226 in Fig. 9 identisch sein. Wenn beide reine Anzeigegeräte sind, zeigt die Vorrichtung 231 den Massendurchsatz des so Fluids an, während die Vorrichtung 226 lediglich dessen Dichte angibt.

Fig. 10 zeigt den Synchrondetektor 232, den Frequenzvervielfacher 233, das UND-Gatter 234, den einstellbaren Multiplikator 235, den Zähler 236, die Torschaltung 237, das Spei-55 cherregister 238 und die Auswertevorrichtung 231, die in dieser Reihenfolge dem Ausgang der Sonde 223' und dem Ausgang der Schleifenschaltung 229' angeschlossen sind.

Ein 1,0-MHz-Taktgeber 239 und Teiler 240 und 241 sind in dieser Reihenfolge an den zweiten Eingang des UND-Gatters 60 235 angeschlossen; vom Teiler 241 führt eine Verbindung über einen Inverter 242, einen Differenzierer 243 und einen monostabilen Multivibrator 244 zur Torschaltung 237.

Die vom Schild 62 erzeugte Wirbelablösung bewirkt, dass hS die Schwingungen der Platte 113 (Fig. 2) amplitudenmoduliert sind, wobei die Modulationsfrequenz direkt proportional dem Volumendurchfluss ist. Das an der Sondenausgangsleitung 223' anstehende Signal ist somit durch eine dem Verhältnis des

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Massendurchsatzes zur Dichte direkt proportionalen Frequenz amplitudenmoduliert.

Die ODER-Schaltmatrix 245 gibt das Ausgangssignal des digitalen Funktionsgenerators 225 sowohl an den einstellbaren Multiplikator 235 als auch an die Auswertevorrichtung 226'. Die Auswertevorrichtung 226' liefert eine Anzeige für die Dichte, analog der Anzeigevorrichtung 226 in Fig. 9.

Auf jeden Fall amplitudendemoduliert der Synchrondetektor 232 das in der Ausgangsleitung 223' der Sonde 60' auftretende Signal. Die so festgestellte Frequenz der Hüllkurve wird um einen konstanten Wert durch den Frequenzvervielfacher 233 vervielfacht.

Der einstellbare Multiplikator 235 erzeugt eine Ausgangsfrequenz, die dem Produkt aus der Ausgangsfrequenz des Fre-quenzvervielfachers 233 und dem Ausgangssignal des digitalen Funktionsgenerators 225' und damit dem Massendurchfluss direkt proportional ist. Das UND-Gatter 234 wird durch den Teiler 241 periodisch für eine Sekunde geöffnet. Der Zähler 236 zählt dann die Ausgangssignale des einstellbaren Multiplikators 235 während jeder Sekunde, in der das Ausgangssignal des Teilers 241 hoch ist. Der Inhalt des Zählers 236 wird dann über die Torschaltung 237, wenn diese durch den monostabilen Multivibrator betätigt wird, in das Speicherregister 238 eingegeben. Die Auswertevorrichtung 231 zeigt dann den Massendurchsatz (kg/sec) an. Der monostabile Multivibrator öffnet die Torschaltung 237 mit der Rückflanke jedes positiven zweiten Impulses, der dem UND-Gatter 234 durch den Frequenzteiler 241 eingegeben wird. Die Kombination und das Zusammenwir-s ken von Zähler 236, Torschaltung 237, Speicherregister 238 und Auswertevorrichtung 231 ist nicht neu und hinlänglich bekannt; jedoch die Matrix 245 und/oder der Synchrondetektor 232 und/oder der einstellbare Multiplikator 235 und alle Teile, die sich in irgendeiner Kombination dran anschliessen, sind neu. m Die Auswertevorrichtung 231 liefert somit eine Anzeige des Massendurchsatzes m, wobei m = Kfv (AT2-B) (kg/s),

in welcher Gleichung

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fv die Frequenz der die Sonden-Trägerwelle modulie renden Hüllkurve ist, wobei die Trägerwelle an der Leitung 223' ansteht,

T der reziprobe Wert der Frequenz der Trägerwelle ist

2o und

K, A und BKonstanten sind.

Die Dichte d des Fluids ist gegeben durch d = AT2-B.

C

4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

615 506 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Erzeugung eines dem Massendurchsatz eines durch eine Rohrleitung (22) strömenden Fluids direkt proportionalen Ausgangssignals mit einem Dichtemessgerät, welches einen in Schwingungen zu versetzenden Teil (113) enthält, dessen Frequenz 1/T ein Mass für die Dichte des Fluids darstellt, die von einer ersten Auswertevorrichtung (226') angezeigt wird, gekennzeichnet durch einen die Sonde in einem bestimmten Abstand umgebenden, mit einer Öffnung versehenen Schild (62), der aufgrund seiner Form eine Wirbelablösung im Bereich des in Schwingungen zu versetzenden Teils (113) erzeugt und damit eine Amplitudenmodulation dieser Schwingungen bewirkt, wobei die Modulationsfrequenz fv dem Volu-mendurchfluss proportional ist, und schliesslich durch eine zweite Auswertevorrichtung (231), welche von einer Rechenvorrichtung gesteuert wird, die eine dem Massendurchsatz m des strömenden Fluids direkt proportionale Anzeige aufgrund der Gleichung m = Kfv(AT2-B) ermittelt, wobei K, A und B Konstanten sind.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Auswertevorrichtung (231) folgende Elemente vorgeschaltet sind: ein Amplitudendemodulator

(232), dessen erster Eingang mit dem Sondenausgang (223') und dessen zweiter Eingang mit dem zweiten Ausgang (229') einer zwischen Sendeeingang und -Ausgang liegenden Schleifenschaltung (224') verbunden ist; ein Gatter (234) mit einem ersten und einem zweiten Eingang; ein Frequenzvervielfacher

(233), der zwischen den Amplitudendemodulatorausgang und den ersten Eingang des Gatters geschaltet ist; ein an dem zweiten Eingang des Gatters angeschlossener Taktgeber (239), der das Gatter veranlasst, über einen konstanten, periodisch auftretenden Zeitraum eine Impulsfolge zu liefern von einer Frequenz, die der Frequenz der Hüllkurve direkt proportional ist; ferner ein Zähler (236) und ein einstellbarer Multiplikator (235), der zwischen den Gatterausgang, den Funktionsgeneratorausgang zum Zähler und den Zählereingang geschaltet ist, welcher Multiplikator während aufeinanderfolgenden, konstanten Zeiträumen den Zähler veranlasst, die gleichen oder unterschiedliche maximale Zählanzeigen zu liefern, von denen jede direkt proportional ist dem Massendurchsatz während des entsprechenden konstanten Zeitraums.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine ODER-Schaltmatrix (245) zwischen den Funktionsgenerator (225') und den einstellbaren Multiplikator (235) geschaltet ist, und dass die erste Auswertevorrichtung (226') an die Schaltmatrix (245) angeschlossen ist.