CH669671A5

CH669671A5 -

Info

Publication number: CH669671A5
Application number: CH72886A
Authority: CH
Inventors: Rudolf A Dr Hatschek
Original assignee: Hatschek Rudolf A
Priority date: 1986-02-24
Filing date: 1986-02-24
Publication date: 1989-03-31
Also published as: DE3609489A1; GB2187286B; GB2187286A; GB8703873D0

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DESCRIPTION The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Eine solche, aus der österreichischen Patentschrift Nr. 280 662 bekannte. Einrichtung hat einen mechanischen Schwinger aus Glas. Am Schwinger ist ein stabförmiger Permanentmagnet befestigt, dessen einander abgewandte Endabschnitte als Anker in am Träger befestigte Spulen hineinragen. Eine der beiden Spulen dient zusammen mit dem zugehörigen Anker als Schwingungs-Detektor und ist über den einen Verstärker einer Elektronik-Vorrichtung mit der anderen Spule verbunden, die zusammen mit dem in sie hineinragenden Anker als Schwingungs-Erreger dient. Die bei der Durchführung einer Messung in der Spule des Detektors induzierte Detektorspannung wird vom Verstärker verstärkt und als Erregungsspule der Spule des Erregers zugeführt, wobei die vom letzteren erzeugte Kraft im Idealfall phasengleich zur Schwingungsgeschwindigkeit des Schwingers ist. Die Periodendauer gibt dann ein Mass für die Dichte eines im Schwingkörper enthaltenen, flüssigen oder gasförmigen Materials. One such known from Austrian Patent Specification No. 280 662. Facility has a mechanical glass vibrator. A rod-shaped permanent magnet is attached to the transducer, the end sections of which face away from one another and project as an armature into coils attached to the carrier. One of the two coils, together with the associated armature, serves as a vibration detector and is connected via the one amplifier of an electronic device to the other coil, which together with the armature projecting into it serves as a vibration exciter. The detector voltage induced when a measurement is carried out in the coil of the detector is amplified by the amplifier and supplied to the coil of the exciter as an excitation coil, the force generated by the latter ideally being in phase with the oscillation speed of the vibrator. The period then gives a measure of the density of a liquid or gaseous material contained in the vibrating body.

Die Spulen haben eine sich aus einem induktiven und einem s The coils have an inductive and an s

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ohmschen Widerstand zusammensetzende Impedanz. Da der ohmsche Widerstand temperaturabhängig ist, können temperaturabhängige Phasenverschiebungen zwischen den Ankergeschwindigkeiten und den über den Spulen stehenden Spannungen entstehen. Zudem entstehen infolge der Induktion Wirbelströme, die einerseits von der Frequenz und andererseits vom Widerstand der Materialien, durch die sie fliessen, und damit auch von der Temperatur abhängig sind und dementsprechend frequenz- sowie ebenfalls temperaturabhängige Phasenverschiebungen zwischen den Ankergeschwindigkeiten und Spulenspannungen verursachen können. Wenn sich die Phasenlage der Erregungskraft bezüglich der Schwingungsgeschwindigkeit oder Auslenkung des Schwingers ändert, werden dadurch die Verknüpfungen zwischen Dichte und Periodendauer verändert und Messfehler erzeugt, die umso grösser sind, je kleiner der Gütefaktor des mechanischen Schwingers ist. ohmic resistance composing impedance. Since the ohmic resistance is temperature-dependent, temperature-dependent phase shifts can occur between the armature speeds and the voltages above the coils. In addition, eddy currents arise as a result of induction, which are dependent on the one hand on the frequency and on the other hand on the resistance of the materials through which they flow, and thus also on the temperature, and accordingly can cause frequency and temperature-dependent phase shifts between the armature speeds and coil voltages. If the phase position of the excitation force changes with respect to the vibration speed or deflection of the vibrator, the links between density and period duration are changed and measurement errors are generated, which are greater the smaller the quality factor of the mechanical vibrator.

Bei auf dem Markt bekannten, mit induktiven Schwingungs-Detektoren und -Erregern ausgerüsteten Einrichtungen wurde die Elektronik-Vorrichtung zur Reduktion der im Schwingungs-Erreger verursachten Phasenfehler mit Schaltungsmitteln ausgerüstet, um der Spule des Erregers einen eingeprägten, regelbaren Strom zuzuführen. Dies ergibt jedoch eine beträchtliche Verteuerung und ermöglicht trotzdem keine vollständige Ausschaltung der in den Spulen entstehenden Phasenfehler, weil insbesondere die in der Spule des Detektors entstehenden Fehler überhaupt nicht reduziert werden. In devices known on the market and equipped with inductive vibration detectors and exciters, the electronic device for reducing the phase errors caused in the vibration exciter has been equipped with circuit means in order to supply an impressed, controllable current to the coil of the exciter. However, this results in a considerable increase in price and still does not enable the phase errors occurring in the coils to be completely switched off, because in particular the errors occurring in the coil of the detector are not reduced at all.

Da die Anker an einer sich nahe beim freien Ende des Schwingers befindenden Stelle angeordnet sind und zur Erzielung eines ausreichenden Hubes auch an einer solchen Stelle angeordnet sein müssen, können der Detektor und Erreger den Gütefaktor des mechanischen Schwingers beeinträchtigen und die Schwingungen stören sowie unter Umständen ebenfalls noch Phasenfehler verursachen. Zudem können intuktive Schwingungs-Detektoren und -Erreger auch noch durch äussere Magnetfelder gestört werden, die auch mit verhältnismässig grossem Aufwand nur unvollkommen abgeschirmt werden können. Since the armatures are arranged at a location close to the free end of the vibrator and must also be arranged at such a location in order to achieve a sufficient stroke, the detector and exciter can impair the quality factor of the mechanical vibrator and disturb the vibrations and, under certain circumstances, likewise still cause phase errors. In addition, intuitive vibration detectors and exciters can also be disturbed by external magnetic fields, which can only be incompletely shielded even with relatively great effort.

Im Idealfall wäre der mechanische Schwinger an einer unendlich grossen, völlig unbeweglichen Ruhemasse befestigt. Bei auf dem Markt bekannten, induktive Schwingungs—Detektoren sowie -Erreger aufweisenden Einrichtungen ist der den mechanischen Schwinger haltende Träger starr an einem Gehäuse befestigt, das auf irgend einer Auflage steht. Beim Schwingen gibt der Schwinger Energie an den Träger und das Gehäuse ab, so dass die beiden letzteren ein wenig mitschwingen. Die sich ergebenden Periodendauern des Schwingers hängen dann auch von der Kopplung zwischen dem Gehäuse und der dieses tragenden Auflage ab. Um den Einfluss dieser Kopplung auf die Messergebnisse möglichst gering zu halten, hat man sich bisher dadurch beholfen, dass man eine verhältnismässig grosse, beispielsweise mindestens 15 kg betragende Gesamtmasse des Trägers und Gehäuses vorgesehen hat, was ebenfalls nachteilig ist. Ideally, the mechanical vibrator would be attached to an infinitely large, completely immobile rest mass. In devices known on the market which have inductive vibration detectors and exciters, the carrier holding the mechanical vibrator is rigidly attached to a housing which is supported on any support. When vibrating, the vibrator releases energy to the carrier and the housing, so that the latter two resonate a little. The resulting period of the oscillator then also depends on the coupling between the housing and the support that supports it. In order to keep the influence of this coupling on the measurement results as low as possible, one has hitherto managed to provide a relatively large, for example at least 15 kg total mass of the carrier and housing, which is also disadvantageous.

Die auf dem Markt bekannten Einrichtungen werden beispielsweise zur Ermittlung der Dichte von Getränken verwendet. Aus dieser Dichte und der z.B. bei alkoholischen Getränken zusätzlich noch gemessenen Brechungszahl lässt sich dann auch noch der Alkoholgehalt ermitteln. Die zur Messung der Dichte von Getränken dienenden Einrichtungen werden, wie es auch gemäss der österreichischen Patentschrift Nr. 280 662 vorgesehen ist, mit Wasser und Luft geeicht. Da die Dichte von Luft jedoch verhältnismässig stark von derjenigen von Getränken abweicht, beeinträchtigt ein solches Eichverfahren, insbesondere in Anbetracht der verschiedenen, bei den bekannten Einrichtungen vorhandenen und vorgängig diskutierten Fehlerquellen, die Messgenauigkeit. The devices known on the market are used, for example, to determine the density of beverages. From this density and the e.g. in the case of alcoholic beverages, in addition, the refractive index measured can then also determine the alcohol content. The devices used to measure the density of beverages are calibrated with water and air, as is also provided in accordance with Austrian patent specification No. 280 662. However, since the density of air deviates comparatively strongly from that of beverages, such a calibration method, particularly in view of the various sources of error which are known and previously discussed, affects the measurement accuracy.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Ermittlung der Dichte zu schaffen, die Nachteile der bekannten Einrichtung behebt und ermöglicht, die Messgenauigkeit mit kostengünstigen Massnahmen zu verbessern. Dabei sollen vor allem die bei den bekannten Einrichtungen durch Frequenz- sowie Temperaturänderungen und äussere Magnetfelder in den Schwingungs-Detektoren und -Erregern bedingten Fehler möglichst weitgehend eliminiert werden. The invention is based on the object of creating a device for determining the density, which eliminates disadvantages of the known device and enables the measurement accuracy to be improved with inexpensive measures. In particular, the errors caused by frequency and temperature changes and external magnetic fields in the vibration detectors and exciters in the known devices are to be eliminated as far as possible.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung der einleitend genannten Art gelöst, die erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. This object is achieved by a device of the type mentioned in the introduction, which according to the invention is characterized by the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gehen aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Advantageous refinements of the device emerge from the claims dependent on claim 1.

Die Elektronik-Vorrichtung weist Schaltungsmittel auf, um zwischen dem Erregungssignal und dem Detektorsignal eine Phasenverschiebung zu erzeugen, die im Frequenzbereich, in dem die Schwingungsfrequenzen im vorgesehenen Dichte-Mess-bereich variieren und der mindestens etwa 20% und beispielsweise mindestens oder ungefähr 30% der höchsten vorgesehenen Schwingungsfrequenz betragen kann, einen Betrag oder Absolutwert hat, der zweckmässigerweise höchstens etwa ±5°, vorzugsweise höchstens ±3° oder sogar nur höchstens ±1° vom angestrebten Idealwert von 90° abweicht, vorzugsweise möglichst annähernd unabhängig von der Frequenz ist und beispielsweise im genannten Frequenzbereich höchstens ±0,3% und beispielsweise sogar nur höchstens ± 0,1 % von einem Mittelwert abweicht. Die Schaltungsmittel weisen vorzugsweise einen Integrator auf, der nebst einer im Idealfall betragsmässig mindestens ungefähr 90° betragenden Phasenverschiebung auch noch als Tiefpassfilter dient und eine Spannungsverstärkung mit einem z.B. etwa 2 bis 5 betragenden Verstärkungsfaktor ergibt. The electronic device has circuit means for generating a phase shift between the excitation signal and the detector signal which is in the frequency range in which the oscillation frequencies vary in the intended density measurement range and which is at least about 20% and for example at least or about 30% of the may be the highest intended oscillation frequency, has an amount or absolute value which expediently deviates at most about ± 5 °, preferably at most ± 3 ° or even only at most ± 1 ° from the desired ideal value of 90 °, preferably as nearly as possible independently of the frequency and for example deviates by a maximum of ± 0.3% and, for example, only a maximum of ± 0.1% from an average in the frequency range mentioned. The circuit means preferably have an integrator which, in addition to a phase shift that is ideally at least approximately 90 ° in magnitude, also serves as a low-pass filter and provides voltage amplification with e.g. gives about 2 to 5 gain factor.

Der Erfindungsgegenstand soll nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden. In der Zeichnung zeigen: The subject of the invention will now be explained with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. The drawing shows:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Einrichtung zur Messung der Dichte, wobei der Deckel des Gehäuses entfernt ist, 1 is a plan view of a device for measuring the density, with the cover of the housing removed,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die Einrichtung entlang der Linie II-II der Figur 1, 2 shows a vertical section through the device along the line II-II of FIG. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Einrichtung entlang der Linie III-III in Figur 1, 3 shows a vertical section through the device along the line III-III in FIG. 1,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus der Figur 3 mit einer Seitenansicht eines am Schwinger angeordneten, piezoelektrischen Elements, in grösserem Massstab, 4 shows a detail from FIG. 3 with a side view of a piezoelectric element arranged on the oscillator, on a larger scale,

Fig. 5 ein Schaltschema der in der Einrichtung vorhandenen Elektronik-Vorrichtung, 5 is a circuit diagram of the electronic device present in the device,

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Darstellung des Phasenganges der Elektronik-Vorrichtung, 6 is a diagram showing the phase response of the electronic device,

Fig. 7 eine der Figur 4 entsprechende Seitenansicht einer Variante der Anordnung von piezoelektrischen Elementen, 7 shows a side view corresponding to FIG. 4 of a variant of the arrangement of piezoelectric elements,

Fig. 8 eine schräg von unten gesehene, schematisierte Ansicht eines stimmgabelartigen Schwingers und Fig. 8 is an oblique view from below, a schematic view of a tuning fork-like vibrator and

Fig. 9 eine schematisierte Ansicht eines Schwingers zum Ausführen von Torsionsschwingungen. 9 is a schematic view of a vibrator for executing torsional vibrations.

Die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellte Einrichtung dient zur Messung der Dichte von einem gasförmigen, flüssigen oder pastösen und also strömungsfähigen Material, beispielsweise einem Getränk. Die Einrichtung weist eine frei auf einer festen Auflage 1 stehende Tragvorrichtung 3 mit einem vier Wände besitzenden Gehäuse 5 auf, das unten mit beispielsweise ein wenig federnde Gummizapfen aufweisenden Füssen 7 und oben mit einem mit Schrauben lösbar befestigten Deckel 9 versehen ist. An einander gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses 5 sind Lager 11 angeordnet von denen jedes einen festgeschraubten Flansch mit einem durch ein Loch der betreffenden Wand des Gehäuses 5 in dessen Innenraum hineinragenden, zylindrischen Zapfen aufweist. Im Gehäuse 5 ist ein von dessen Innenfläche mindestens im allgemeinen durch einen Luftraum, d.h. einen freien, Luft enthaltenden Zwischenraum getrennter Träger 13 mit einer einen Boden und eine Wandung aufweisenden Thermostat-Kammer 15 angeordnet. Die letztere weist bei zwei sich diametral gegenüberstehenden Stellen je ein zylindrisches The device shown in Figures 1, 2 and 3 is used to measure the density of a gaseous, liquid or pasty and therefore flowable material, such as a drink. The device has a support device 3 standing freely on a fixed support 1 with a housing 5 having four walls, which is provided at the bottom with feet 7, for example, having a little resilient rubber pin, and at the top with a cover 9 releasably fastened with screws. On opposite walls of the housing 5, bearings 11 are arranged, each of which has a screwed flange with a cylindrical pin projecting through a hole in the relevant wall of the housing 5 into its interior. In the housing 5, one of its inner surface is at least generally defined by an air space, i.e. a free, air-containing space separate carrier 13 is arranged with a thermostatic chamber 15 having a bottom and a wall. The latter has a cylindrical one at two diametrically opposed points

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Sackloch auf, in das der Zapfen von einem der Lager 11 hineinragt. Zwischen der Mantelfläche von jedem der beiden Zapfen und der dazu koaxialen Sackloch-Begrenzungsfläche ist ein gummielastischer, durch einen O-Ring gebildeter Isoher- und Dämpfungskörper 17 und zwischen der freien Stirnfläche von jedem der beiden Zapfen sowie dem Grund des betreffenden Sacklochs ist ein gummielastischer, kugelförmiger Isolier- und Dämpfungskörper 19 angeordnet. Die beiden Lager 11 dienen sowohl zur radialen als auch zur axialen Lagerung des Trägers 13 und definieren zusammen eine horizontale Achse 21, um die der Träger 13 schwenkbar ist, wobei die Isolier- und Dämpfungskörper 17, 19 sowohl Schwenkbewegungen als auch begrenzte, axiale Bewegungen des Trägers 13 ermöglichen und diese etwas dämpfen. Blind hole in which the pin protrudes from one of the bearings 11. Between the lateral surface of each of the two pegs and the blind end boundary surface coaxial therewith is a rubber-elastic isohering and damping body 17 formed by an O-ring and between the free end face of each of the two pegs and the base of the relevant blind hole there is a rubber-elastic, spherical insulating and damping body 19 arranged. The two bearings 11 serve both for the radial and for the axial mounting of the carrier 13 and together define a horizontal axis 21 about which the carrier 13 can be pivoted, the insulating and damping bodies 17, 19 both pivoting movements and limited axial movements of the Enable carrier 13 and dampen them somewhat.

Eine Schwing-Kammer 27 besitzt einen am oberen Ende der Thermostat-Kammer 15 starr und beispielsweise lösbar mit dieser verbundenen und deren Innenraum dicht abschliessenden Deckteil 27a und einen von diesem weg nach unten ragenden, hohlen, hülsenartigen Finger 27b, dessen untere Abschlusswand ein mit einem Innengewinde versehenes Durchgangsloch aufweist, das mit einem durch eine Schraube und beispielsweise einen nicht dargestellten Dichtungsring gebildeten Verschluss 29 lösbar und gasdicht verschlossen ist. Ein Schwinger-Halter 31 weist einen in einer Vertiefung des Deckteils 27a sitzenden und mit Schrauben lösbar sowie starr an diesem befestigten Flansch und einen bis zur Achse 21 in den Innenraum der Schwing-Kammer 27 hinabragenden Finger auf. Dessen Mantelfläche hat zwei Nuten, in denen je ein gummielastischer Dichtungsring 33, d.h. ein O-Ring angeordnet ist, so dass der Schwinger-Halter 31 zusammen mit den beiden Dichtungsringen 33 den untern, freien Innenraum der Schwing-Kammer 27 gegen oben gasdicht ab-schliesst. A vibrating chamber 27 has a rigid and, for example, detachably connected to the upper end of the thermostatic chamber 15 and its interior tightly sealing cover part 27a and a hollow sleeve-like finger 27b projecting downward therefrom, the lower end wall of which is connected to a Internal thread provided through hole which is releasably and gas-tightly closed with a closure 29 formed by a screw and, for example, a sealing ring, not shown. A transducer holder 31 has a flange which is seated in a recess in the cover part 27a and is detachably and rigidly fastened to the flange, and a finger which projects into the interior of the oscillating chamber 27 up to the axis 21. Its outer surface has two grooves, in each of which a rubber-elastic sealing ring 33, i.e. an O-ring is arranged so that the oscillator holder 31, together with the two sealing rings 33, seals the lower, free interior of the oscillation chamber 27 in a gas-tight manner from above.

Der freie Innenraum der Thermostat-Kammer 15 ist mit einem Zuleitungs-Anschluss 37 und einem Ableitungs-Anschluss 39 verbunden, die durch eine auch eines der Lager 11 haltende Wand des Gehäuses 5 hindurch nach aussen geführt sind und zwischen ihren an der Thermostat-Kammer und der Gehäusewand befestigten Stellen deformierbare Verbindungsstücke 37a, 39a, etwa Schlauchstücke, aufweisen. Die Anschlüsse 37, 39 sind mit einer nicht dargestellten Temperatur-Regelvorrichtung verbunden, die ausgebildet ist, um eine Flüssigkeit, nämlich Wasser, auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten und durch den freien Innenraum der Thermostat-Kammer 15 hindurch zu leiten. Diese wird durch den zwischen ihr und dem Gehäuse 5 vorhandenen Luftraum sowie die Isoher- und Dämpfungskörper 17, 19 wärmemässig gegen die Umgebung isoliert. The free interior of the thermostat chamber 15 is connected to a supply connection 37 and a discharge connection 39, which are led out through a wall of the housing 5, which also holds one of the bearings 11, and between them on the thermostatic chamber and points attached to the housing wall have deformable connecting pieces 37a, 39a, such as hose pieces. The connections 37, 39 are connected to a temperature control device, not shown, which is designed to keep a liquid, namely water, at a predetermined temperature and to conduct it through the free interior of the thermostat chamber 15. This is thermally insulated from the environment by the air space between it and the housing 5 and the isothermal and damping bodies 17, 19.

Ein aus Metall, nämlich rostfreiem Stahl bestehendes, einstückiges Rohr 43 bildet im freien Innenraum der Schwing-Kammer 27 einen U-förmigen, mechanischen Schwinger 45 mit einem Hohlraum, nähmlich dem Durchgang des Rohres. Die beiden vom Schwinger 45 nach oben verlaufenden Schenkel des Rohres 43 durchdringen zwei zueinander parallele, vertikale Durchgangslöcher des Schwinger-Halters 31 und sind beispielsweise mit nicht gezeichneten, in den Träger 31 eingeschraubten, Klemmbacken aufweisenden Spannzangen oder durch Hartlöten oder Festkleben starr im Halter 31 befestigt. Dabei haben vorzugsweise zumindest die unteren Endabschnitte der beiden Durchgangslöcher des Halters 31 mindestens annähernd mit dem Aussendurchmesser der Rohrschenkel übereinstimmende Innendurchmesser, so dass die Rohrschenkel radial spielfrei in sie hineinpassen. Die oben aus dem Halter 31 herausragenden Abschnitte der Rohrschenkel sind je über ein deformierbares Verbindungsstück 49, etwa ein Schlauchstück, mit einem horizontal verlaufenden, die gleiche Wand des Gehäuses 5 wie die Anschlüsse 37, 39 durchdringenden Anschluss 47 verbunden. Die deformierbaren Verbindungsstücke 37a, 39a, 49 ermöglichen, dass der Träger 13 bezüglich des Gehäuses 5 trotz der das Gehäuse 5 und den Träger 13 miteinander verbindenden, hohlen Leitungen begrenzte Bewegungen und vor allem kleine Schwenkbewegungen ausführen kann. A one-piece pipe 43 made of metal, namely stainless steel, forms a U-shaped, mechanical oscillator 45 with a cavity in the free interior of the oscillation chamber 27, namely the passage of the pipe. The two legs of the tube 43, which run upward from the vibrator 45, penetrate two mutually parallel, vertical through-holes of the vibrator holder 31 and are rigidly fastened in the holder 31, for example, with collets (not shown) screwed into the carrier 31 and having jaws or by brazing or gluing . At least the lower end sections of the two through holes of the holder 31 preferably have at least approximately the same inside diameter as the outside diameter of the pipe legs, so that the pipe legs fit into them radially without play. The sections of the pipe legs protruding from the holder 31 at the top are each connected via a deformable connecting piece 49, for example a piece of hose, to a horizontally running connection 47 penetrating the same wall of the housing 5 as the connections 37, 39. The deformable connecting pieces 37a, 39a, 49 enable the carrier 13 to perform limited movements and, above all, small pivoting movements with respect to the housing 5, despite the hollow lines connecting the housing 5 and the carrier 13 to one another.

An einem Schenkel des U-förmigen Schwingers 45 ist ein Schwingungs-Detektor 51 und am anderen Schenkel des Schwingers 45 ist ein Schwingungs-Erreger 53 angeordnet. Der in grösserem Massstab in der Figur 4 gezeichnete Schwingungs-Detektor 51 und der Schwingungs-Erreger 53 weisen als Hauptbestandteil ein plättchenförmiges, piezoelektrisches Element 55 auf. Die beiden piezoelektrischen Elemente 55 sind auf einer Seite des Schwingers, und zwar auf der gleichen Seite der beim sich in seiner Ruhelage befindenden Schwinger 45 von dessen U-förmiger Achse aufgespannten, vertikalen Ebene, über ihre ganze entlang dem betreffenden Schwingerabschnitt verlaufende Länge aussen an diesem befestigt, nämlich angelötet oder angeklebt. Die piezoelektrischen Elemente können beispielsweise als sogenannte Bimorph-Elemente ausgebildet sein, die zwei aneinander befestigte, piezoelektrisch wirksame Teilplättchen besitzen und beim Biegen eine elektrische Spannung erzeugen bzw. durch Anlegen einer elektrischen Spannung gebogen werden und also auf Biegekräfte und/oder Biegemomente ansprechen bzw. solche erzeugen. Bei piezoelektrischen Elementen erfolgt die Umwandlung von Kräften in elektrische Spannungen und umgekehrt von elektrischen Spannungen in Kräfte mit verhältnismässig geringen Deformationen, so dass sie also nahezu reine, d.h. annähernd «hub- und wegfreie» Kraft/Spannungs-Umwandlungen ermöglichen. Daher können der Detektor 51 und der Erreger 53 in der Nähe der Grenzflächen angeordnet werden, bei denen die Schwinger-Schenkel in den Halter 31 eindringen und die die schwingfähigen Abschnitte der Schwinger-Schenkel von den starr im Halter 31 befestigten Abschnitten der Rohrschenkel abgrenzen. Diese zumindest ungefähr und vorzugsweise genau in der gleichen horizontalen Ebene wie die Achse 21 liegenden Grenzflächen bilden beim mit seiner Grund-Resonanzfrequenz schwingenden Schwinger 45 Schwingungsknoten, nämlich Knotenflächen. Der maximale Abstand der Angriffsstellen des Detektors 51 und des Erregers 53 von den Knotenflächen soll höchstens 20% der von der horizontalen Knotenfläche bis zur am weitesten von diesen entfernten Stelle des Schwingers 45, d.h. der untersten Stelle des U-Bogens entlang der Achse des den Schwinger bildenden Rohrabschnitts gemessenen Abmessung, nämlich der halben Länge des Schwingers betragen. A vibration detector 51 is arranged on one leg of the U-shaped vibrator 45 and a vibration exciter 53 is arranged on the other leg of the vibrator 45. The vibration detector 51 shown on a larger scale in FIG. 4 and the vibration exciter 53 have a platelet-shaped, piezoelectric element 55 as the main component. The two piezoelectric elements 55 are on one side of the vibrator, on the same side of the vertical plane spanned by its U-shaped axis when the vibrator 45 is in its rest position, over its entire length running along the relevant vibrator section on the outside thereof attached, namely soldered or glued. The piezoelectric elements can, for example, be designed as so-called bimorph elements, which have two piezoelectrically active partial platelets fastened to one another and generate an electrical voltage during bending or are bent by applying an electrical voltage and thus respond to bending forces and / or bending moments or such produce. In the case of piezoelectric elements, forces are converted into electrical voltages and vice versa from electrical voltages to forces with relatively small deformations, so that they are therefore almost pure, i.e. enable almost «stroke and path-free» force / voltage conversions. Therefore, the detector 51 and the exciter 53 can be arranged in the vicinity of the interfaces at which the oscillator legs penetrate into the holder 31 and which delimit the oscillatable sections of the oscillator legs from the sections of the pipe legs rigidly fastened in the holder 31. These interfaces lying at least approximately and preferably exactly in the same horizontal plane as the axis 21 form 45 oscillation nodes, namely node surfaces, in the case of the oscillator vibrating with its basic resonance frequency. The maximum distance of the points of attack of the detector 51 and of the exciter 53 from the node surfaces should not exceed 20% of that from the horizontal node surface to the most distant location of the vibrator 45, i.e. the lowest point of the U-bend along the axis of the dimension measured for the tube section forming the transducer, namely half the length of the transducer.

Am Schwinger-Halter 31 ist noch eine Elektronik-Vorrichtung 61 befestigt, deren Einzelteile beispielsweise mit einer Giessmasse zu einem kompakten Block vergossen sind und die sich im freien Innenraum der Schwing-Kammer 27 zwischen den beiden U-Schenkeln des Schwingers 45 befindet, von diesen aber durch freie Zwischenräume getrennt ist. Die beiden den Detektor 51 bzw. Erreger 53 bildenden piezoelektrischen Elemente haben je zwei Anschlüsse, von denen der eine über den metallischen Schwinger 45 mit dem Massen-Anschluss der Elektronik-Vorrichtung 61 und der andere über je einen separaten Leiter, der in der Figur 4 für den Detektor 51 mit 63 bezeichnet ist, mit der Elektronik-Vorrichtung 61 verbunden ist. Diese ist ihrerseits durch eine teilweise durch einen Durchgang des Halters 31 hindurch verlaufende Mehrfach-Leitung 65 mit einem an der gleichen Wand des Gehäuses 5 wie die Anschlüsse 37, 39, 47 befestigten Stecker 67 verbunden. Die Leitung 65 ist dabei im Durchgang des Halters 31 gasdicht eingegossen und zwischen dem Halter 31 und dem Stecker 67 ausreichend flexibel, um Schwenkbewegungen des Trägers 13 zu ermöglichen. Der freie Innenraum der Schwing-Kammer 27 enthält durch das mit dem Verschluss 29 abschliessbare Loch hindurch eingefülltes Helium oder eventuell ein anderes, eine gute Wärmeleitung ergebendes Gas, wie Wasserstoff. An electronic device 61 is also attached to the oscillator holder 31, the individual parts of which are cast into a compact block, for example with a casting compound, and which is located in the free interior of the oscillation chamber 27 between the two U-legs of the oscillator 45, of these but is separated by free spaces. The two piezoelectric elements forming the detector 51 or exciter 53 each have two connections, one of which via the metallic oscillator 45 to the ground connection of the electronic device 61 and the other via a separate conductor, which is shown in FIG for the detector 51 is designated 63, is connected to the electronic device 61. This is in turn connected to a plug 67 fastened to the same wall of the housing 5 as the connections 37, 39, 47 by a multiple line 65 running partially through a passage of the holder 31. The line 65 is cast in a gastight manner in the passage of the holder 31 and is sufficiently flexible between the holder 31 and the plug 67 to enable pivoting movements of the carrier 13. The free interior of the oscillation chamber 27 contains helium or possibly another gas which provides good heat conduction, such as hydrogen, which is filled through the hole which can be closed with the closure 29.

Die Elektronik-Vorrichtung 61, deren Schaltschema in der Figur 5 dargestellt ist, weist einen Ladungsverstärker 71 mit einem Operationsverstärker 73 auf, dessen nicht-invertierender The electronic device 61, the circuit diagram of which is shown in FIG. 5, has a charge amplifier 71 with an operational amplifier 73, the non-inverting one

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Eingang mit dem Massen-Anschluss und dessen invertierender Eingang mit dem nicht an Masse liegenden Anschluss des Detektors 51 und über ein aus einem Kondensator 75 sowie einem dazu parallel geschalteten Widerstand 77 bestehenden Gegenkopplungsglied mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 73 verbunden ist. Dieser Operationsverstärker-Ausgang ist über einen Kondensator 79 und einen mit diesem in Serie geschalteten Widerstand 81 mit dem invertierenden Eingang des zu einem Integrator 83 gehörenden Operationsverstärkers 85 verbunden, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Massen-Anschluss verbunden ist. Der Ausgang und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 85 sind durch ein Gegenkopplungsglied mit einem Kondensator 87 und einem zu diesem parallel geschalteten Widerstand 89 miteinander verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 85 ist über einen Widerstand 91 galvanisch mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 95 verbunden, der zusammen mit einem Widerstand/Kondensator-Netzwerk einen Korrektur-Phasenschieber 93 bildet. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 95 ist über zwei parallel geschaltete Zweige des Netzwerks mit je einem Widerstand 97 bzw. 101 und je einem in Serie mit diesem geschalteten Kondensator 99 bzw. 103 mit dem Massen-Anschluss und über zwei einander parallel geschaltete Netzwerk-Zweige, von denen der eine einen Kondensator 105 sowie einen mit diesem in Serie geschalteten Widerstand 107 und der andere nur einen Widerstand 109 aufweist, mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 95 verbunden, der auch mit dem nicht an Masse liegenden Anschluss des Erregers 53 verbunden ist. Input with the ground connection and its inverting input with the non-ground connection of the detector 51 and via a negative feedback element consisting of a capacitor 75 and a resistor 77 connected in parallel with the output of the operational amplifier 73. This operational amplifier output is connected via a capacitor 79 and a resistor 81 connected in series therewith to the inverting input of the operational amplifier 85 belonging to an integrator 83, the non-inverting input of which is connected to the ground connection. The output and the inverting input of the operational amplifier 85 are connected to one another by a negative feedback element with a capacitor 87 and a resistor 89 connected in parallel therewith. The output of the operational amplifier 85 is electrically connected via a resistor 91 to the non-inverting input of an operational amplifier 95, which together with a resistor / capacitor network forms a correction phase shifter 93. The inverting input of the operational amplifier 95 is via two branches of the network connected in parallel, each with a resistor 97 or 101 and in each case one in series with this capacitor 99 or 103 with the ground connection and via two network branches connected in parallel, one of which has a capacitor 105 and a resistor 107 connected in series therewith and the other only one resistor 109 is connected to the output of the operational amplifier 95, which is also connected to the connection of the exciter 53 which is not connected to ground.

Der Ausgang des zum Integrator 83 gehörenden Operationsverstärkers 85 ist ferner mit einem aktiven Bandpassfilter 111 verbunden, das einen Operationsverstärker 113 und ein diesen gegenkoppelndes Widerstand/Kondensator-Netzwerk aufweist. Der Ausgang des Bandpassfilters 111 ist mit dem Eingang eines Reglers 115 und zwar eines Proportional-Integral-Differential-d.h. PID-Reglers verbunden. Dieser hat einen Feldeffekt-Tran-sistor 117, dessen «Drain»-Anschluss einerseits mit einem zur Linearisierung dienenden, einen Spannungsteiler und einen Transistor aufweisenden Linearisierungsschaltung und andererseits mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 95 verbunden ist und der zusammen mit der Linearisierungsschaltung sowie dem Widerstand 91 als Stellglied dient. The output of the operational amplifier 85 belonging to the integrator 83 is also connected to an active bandpass filter 111, which has an operational amplifier 113 and a resistor / capacitor network which is negative feedback. The output of the bandpass filter 111 is connected to the input of a controller 115, namely a proportional-integral-differential-i.e. PID controller connected. This has a field-effect transistor 117, the "drain" connection of which is connected on the one hand to a linearization circuit serving for linearization, having a voltage divider and a transistor, and on the other hand to the non-inverting input of the operational amplifier 95, which together with the linearization circuit and the resistor 91 serves as an actuator.

Der Massen-Anschluss der Elektronik-Vorrichtung 61 ist auch elektrisch leitend mit den metallischen Teilen des Gehäuses 5 und Trägers 13 verbunden. Der Stecker 67 hat drei gegenüber seinem als Massen-Anschluss dienenden Gehäuse isolierte Anschlüsse und ist über einen Gegen-Stecker und ein Kabel elektrisch trennbar mit einem separaten, elektronischen Gerät 121 verbunden. Dieses weist eine Stromversorgungsvorrichtung 123, um der Elektronik-Vorrichtung 61 eine gegen Masse positive Gleichspannung + U0 sowie eine gegen Masse negative Gleichspannung —U0 zuzuführen, und eine Auswerte-Vorrich-tung 125 auf. The ground connection of the electronic device 61 is also electrically conductively connected to the metallic parts of the housing 5 and carrier 13. The plug 67 has three connections which are insulated from its housing, which serves as a ground connection, and is electrically separably connected to a separate, electronic device 121 via a mating plug and a cable. This has a power supply device 123 in order to supply the electronics device 61 with a DC voltage + U0 positive against ground and a direct voltage −U0 negative against ground, and an evaluation device 125.

Wenn die Dichte einer Probe, z.B. eines Getränks gemessen werden soll, wird das Rohr 43 bis zu den obersten Stellen seiner beiden Schenkel mit dem Getränk gefüllt, so dass auch der Schwinger 45 gefüllt ist. Das sich im Schwinger befindende Getränk wird dann auf die beispielsweise 20°C betragende Temperatur des durch die Thermostat-Kammer hindurch geleiteten Wassers gebracht. Die Elektronik-Vorrichtung 61 wird durch Betätigen eines Schalters der Auswertevorrichtung in Betrieb gesetzt und dadurch der Schwinger 45 zum Schwingen gebracht. If the density of a sample, e.g. of a drink is to be measured, the tube 43 is filled with the drink up to the uppermost points of its two legs, so that the oscillator 45 is also filled. The beverage in the vibrator is then brought to the temperature of, for example, 20 ° C. of the water passed through the thermostat chamber. The electronic device 61 is put into operation by actuating a switch of the evaluation device and the oscillator 45 is thereby caused to oscillate.

Der Träger 13 ist derart bemessen, dass der Massenmittelpunkt der Massen der zu ihm selbst gehörenden Teile, des in der Thermostat-Kammer vorhandenen Wassers, des Schwingers 45 und des in diesem vorhandenen Getränks mindestens annähernd auf der Achse 21 in der Mitte zwischen den beiden U-Schenkeln des Schwingers 45 liegt. Wenn der Schwinger 45 The carrier 13 is dimensioned such that the center of mass of the masses of the parts belonging to it, of the water present in the thermostat chamber, of the vibrator 45 and of the beverage present in it is at least approximately on the axis 21 in the middle between the two U. - Legs of the transducer 45 lies. If the transducer is 45

beim Messen Biege-Schwingungen entlang einer zur Achse 21 rechtwinkligen Ebene ausführt, kann der Träger 13 kleine gegenläufige Schwenkbewegungen um die Achse 21 ausführen, die die vom Schwinger 45 auf den Träger übertragenen Drehmomente mindestens weitgehend kompensieren, wobei die Isolier- und Dämpfungskörper 17, 19 die Bewegungen des Trägers 13 dämpfen, so dass sich die Tragvorrichtung 3 und der Träger 13, auch wenn sie nur verhältnismässig kleine Massen haben, ähnlich wie eine unendlich grosse Ruhemasse verhalten. Wenn das den Schwinger 45 bildende Rohr 43 beispielsweise einen Aussendurchmesser von 2 mm und eine Wanddicke von 0,1 mm hat, kann der Schwinger 45 mitsamt seiner Füllung eine Masse in der Grössenordnung von 1 Gramm haben. Die Gesamtmasse der Trag Vorrichtung 3 und der von ihr gehaltenen Teile kann dann weniger als 10 kg und beispielsweise etwa 5 bis 7 kg betragen. When measuring bending vibrations along a plane perpendicular to the axis 21, the carrier 13 can execute small counter-rotating movements about the axis 21, which at least largely compensate for the torques transmitted from the oscillator 45 to the carrier, the insulating and damping bodies 17, 19 dampen the movements of the carrier 13, so that the carrier 3 and the carrier 13, even if they have only relatively small masses, behave similarly to an infinitely large rest mass. If the tube 43 forming the oscillator 45 has, for example, an outside diameter of 2 mm and a wall thickness of 0.1 mm, the oscillator 45 together with its filling can have a mass of the order of 1 gram. The total mass of the carrying device 3 and the parts held by it can then be less than 10 kg and for example about 5 to 7 kg.

Wenn der Schwinger 45 beim Ermitteln einer Dichte schwingt, wird er abwechselnd in den in der Figur 4 durch einen mit voller Linie und einen gestrichelt gezeichneten Pfeil bezeichneten Richtungen entlang einer zur Achse 21 rechtwinkligen Ebene gebogen. Dabei werden mindestens die beiden Schenkel des Schwingers und eventuell auch noch dessen restlicher, bogenförmiger Abschnitt elastisch deformiert. Das piezoelektrische Element 55 des Schwingungs-Detektors 51 wird mitgebogen, nimmt abwechselnd ebenfalls schematisch durch einen mit voller Linie sowie einen gestrichelt gezeichneten Pfeil angedeutete Formen an und erzeugt ein in Abhängigkeit von der Zeit mit der Schwingungsfrequenz des Schwingers 45 periodisch und sinusförmig änderndes, elektrisches Detektorsignal, nämlich eine ändernde Ladung und eine damit verbundene Wechselspannung. Die Elektronik-Vorrichtung 61 bildet aus dem Detektorsignal in noch näher erläuterter Weise durch Verstärkung, Phasendrehung und Regelung ein elektrisches, in Abhängigkeit von der Zeit periodisch sowie sinusförmig änderndes, durch eine Wechselspannung gebildetes Erregungssignal und führt dieses dem Schwingungs-Erreger 54 zu. Dessen piezoelektrisches Element 55 wird dadurch abwechselnd in verschiedene Richtungen gebogen und übt eine zeitlich ändernde Erregungskraft, nämlich eine Biegekraft und damit auch ein Biegemoment auf den Schwinger 45 aus. If the oscillator 45 oscillates when determining a density, it is alternately bent in the directions designated in FIG. 4 by an arrow drawn with a full line and a dashed line along a plane perpendicular to the axis 21. At least the two legs of the vibrator and possibly also the rest of its arcuate section are elastically deformed. The piezoelectric element 55 of the vibration detector 51 is also bent, alternately also takes a schematic form by means of a shape indicated by a full line and a dashed arrow, and generates an electrical detector signal that changes periodically and sinusoidally as a function of time with the vibration frequency of the vibrator 45 , namely a changing charge and an associated AC voltage. The electronic device 61 forms an electrical excitation signal, which changes periodically and sinusoidally as a function of time and is formed by an alternating voltage, from the detector signal in a manner to be explained in more detail below by amplification, phase rotation and control and feeds it to the vibration exciter 54. Its piezoelectric element 55 is thereby alternately bent in different directions and exerts a time-changing excitation force, namely a bending force and thus also a bending moment on the oscillator 45.

Die Auslenkung und die Beschleunigung des schwingenden Schwingers 45 sind gegeneinander um einen Phasenwinkel von 180° verschoben. Damit der Schwinger 45 mit seiner Resonanzfrequenz oder, genauer gesagt, Grund-Resonanzfrequenz schwingt, muss die Erregungskraft der Beschleunigung des Schwingers um einen Phasenwinkel von 90° nacheilen und der Auslenkung des Schwingers um einen Phasenwinkel von 90° voreilen. The deflection and the acceleration of the vibrating oscillator 45 are shifted from one another by a phase angle of 180 °. In order for the oscillator 45 to oscillate at its resonance frequency or, more precisely, the fundamental resonance frequency, the excitation force must lag the acceleration of the oscillator by a phase angle of 90 ° and lead the deflection of the oscillator by a phase angle of 90 °.

Das vom Detektor 51 erzeugte Detektorsignal kann je nach der Polung der Anschlüsse bzw. Befestigung des piezoelektrischen Elements 55 phasengleich zur Auslenkung des Schwingers oder um 180° dazu verschoben und dementsprechend phasengleich zur Beschleunigung sein. Analoges gilt für den Zusammenhang zwischen der dem piezoelektrischen Element 55 des Erregers 53 zugeführten Erregungsspannung und der Erregungskraft. Im vorliegenden Fall sind die piezoelektrischen Elemente des Detektors und Erregers mit gleicher Polung angeordnet und die positive Richtung der Auslenkungen, Beschleunigungen und Kräfte sei derart definiert, dass das Detektorsignal phasengleich zur Beschleunigung des Schwingers ist. Die Erregungskraft ist dann, wie erforderlich, phasengleich zum Erregungssignal. Depending on the polarity of the connections or fastening of the piezoelectric element 55, the detector signal generated by the detector 51 can be shifted in phase with the deflection of the oscillator or shifted by 180 ° therewith and accordingly be in phase with the acceleration. The same applies analogously to the relationship between the excitation voltage supplied to the piezoelectric element 55 of the exciter 53 and the excitation force. In the present case, the piezoelectric elements of the detector and exciter are arranged with the same polarity and the positive direction of the deflections, accelerations and forces is defined in such a way that the detector signal is in phase with the acceleration of the vibrator. The excitation force is then, as required, in phase with the excitation signal.

Der invertierend geschaltete Operationsverstärker 73 des zur Impedanzanpassung dienenden Ladungsverstärkers 71 führt dem Integrator 83 eine Spannung zu, die im Idealfall um einen 180° betragenden Phasenwinkel gegen das Detektorsignal gedreht ist. Der ebenfalls invertierend geschaltete Operationsverstärker 85 des Integrators 83 verstärkt die ihm zugeführte Span5 The inverting operational amplifier 73 of the charge amplifier 71 used for impedance matching supplies the integrator 83 with a voltage which, in the ideal case, is rotated by a phase angle of 180 ° against the detector signal. The operational amplifier 85 of the integrator 83, which is also inverted, amplifies the span 5 fed to it

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

669 671 669 671

6 6

nung mit einem z.B. 2 bis 5 betragenden Verstärkungsfaktor und dreht die Phase ebenfalls um einen Phasenwinkel von 180°. Ferner bewirkt der elektrische Integrationsvorgang eine Phasenverzögerung, deren Phasenwinkel im Idealfall einen Betrag oder Absolutwert von 90° hat. Der Operationsverstärker 95 des Korrektur-Phasenschiebers 93 ergibt nochmals eine Spannungsverstärkung mit einem beispielsweise 2 bis 10 betragenden Verstärkungsfaktor. Da der Operationsverstärker 95 nicht-invertierend geschaltet ist, wäre das von ihm dem Schwin-gungs-Erreger 53 zugeführte Erregungssignal, wenn lediglich die bei der vorgängigen, vereinfachten und idealisierten Beschreibung angegebenen Phasendrehungen stattfinden, gegen das Detektorsignal um einen Phasenwinkel mit einem Betrag von 90° gedreht, und zwar nacheilend. Die vom Schwingungs-Erreger 53 auf den mechanischen Schwinger 45 ausgeübte Bie-ge-Erregungskraft ist also im Idealfall um einen genau 90° betragenden Phasenwinkel gegen die Beschleunigung des Schwingers 45 nacheilend und gegen die Auslenkung des letzteren um 90° voreilend, so dass der mechanische Schwinger 45 genau mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. with e.g. 2 to 5 gain factor and also rotates the phase by a phase angle of 180 °. Furthermore, the electrical integration process causes a phase delay, the phase angle of which ideally has an amount or absolute value of 90 °. The operational amplifier 95 of the correction phase shifter 93 again results in a voltage amplification with an amplification factor of, for example, 2 to 10. Since the operational amplifier 95 is non-inverting, the excitation signal supplied by it to the vibration exciter 53 would be against the detector signal by a phase angle with an amount of 90 if only the phase rotations given in the previous, simplified and idealized description take place ° rotated, lagging. The bending excitation force exerted by the vibration exciter 53 on the mechanical vibrator 45 is thus ideally lagging by a precisely 90 ° phase angle against the acceleration of the vibrator 45 and leading by 90 ° against the deflection of the latter, so that the mechanical Vibrator 45 vibrates exactly at its resonance frequency.

Der Integrator 83 ergibt nicht nur eine Verstärkung und Phasendrehung, sondern wirkt auch noch als Tiefpassfilter, das Wechselspannungen mit grossen Frequenzen dämpft. Die obere Grenzfrequenz des Tiefpassfilters ist gleich wie die Integrationszeitkonstante des Integrators durch den Widerstand 81 und den Kondensator 87 gegeben und auf einen oberhalb der sich im Messbereich ergebenden Grund-Resonanzfrequenzen des mechanischen Schwingers liegenden Wert festgelegt. Die obere Grenzfrequenz des vom Integrator 83 gebildeten Tiefpassfilters soll vorzugsweise mindestens des Dreifache und höchstens das Dreissigfache sowie beispielsweise das Fünf- bis Fünfzehnfache der höchsten vorgesehenen Grund-Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers 45 betragen. Der Schwinger 45 kann im vorgesehenen Messbereich beispielsweise Grund-Resonanzfrequenzen von 350 bis 500 Hz haben. Der Widerstand 81 kann in diesem Fall einen Widerstandswert von 33 Kilo-Ohm und der Kondensator 87 eine Kapazität von einem Nanofarad haben, so dass sich eine Integrationszeitkonstante von 33 Mikrosekunden und eine obere Tiefpass-Grundfrequenz von ungefähr 4,8 kHz ergeben. Dadurch, dass der Integrator 83 zusätzlich zur 90°-Phasenwinkeldrehung noch eine Dämpfung von Wechselspannungen mit grossen Frequenzen bewirkt, wird gewährleistet, dass der mechanische Schwinger 45 immer mit seiner Grund-Resonanzfrequenz und nicht mit einer Oberschwingung, d.h. einer Resonanzfrequenz höherer Ordnung schwingt. The integrator 83 not only provides a gain and phase shift, but also acts as a low-pass filter that attenuates AC voltages at high frequencies. The upper limit frequency of the low-pass filter, like the integration time constant of the integrator, is given by the resistor 81 and the capacitor 87 and is fixed at a value above the basic resonance frequencies of the mechanical vibrator that result in the measuring range. The upper cut-off frequency of the low-pass filter formed by the integrator 83 should preferably be at least three times and at most thirty times and, for example, five to fifteen times the highest intended basic resonance frequency of the mechanical oscillator 45. The oscillator 45 can have, for example, basic resonance frequencies of 350 to 500 Hz in the intended measuring range. In this case, the resistor 81 can have a resistance of 33 kilo-ohms and the capacitor 87 a capacitance of one nanofarad, so that there is an integration time constant of 33 microseconds and an upper low-pass fundamental frequency of approximately 4.8 kHz. The fact that the integrator 83 effects damping of alternating voltages with high frequencies in addition to the 90 ° phase angle rotation ensures that the mechanical oscillator 45 always with its basic resonance frequency and not with a harmonic, i.e. a higher order resonance frequency oscillates.

Beim Ausführungsbeispiel haben die Kondensatoren 75 und 79 eine Kapazität von 33 Pikofarad bzw. 1 Mikrofarad und die Widerstände 77 und 89 Widerstandswerte von 1 Giga-Ohm bzw. 33 Megohm. Die drei Kondensatoren 75, 79 und 87 bilden zusammen mit den Widerständen 77 bzw. 81 bzw. 89 je ein Kondensator/Widerstand-Paar, von denen jedes eine ungefähr 4,8 Hz beträgende Grenzfrequenz festlegt. Diese Grenzfrequenzen sind also wesentlich kleiner als die sich beim Messen von Dichten ergebenden Frequenzen des Schwingers. Die verschiedenen, zusammenwirkenden Kondensatoren und Widerstände des Ladungsverstärkers 71 und Integrators 83 verursachen zusätzlich zu den bei der vorgängigen, vereinfachten Funktionsbeschreibung der Elektronik-Vorrichtung 61 angegebenen Phasendrehungen noch frequenzabhängige Phasendrehungen oder -Verschiebungen. Diese bewirken insgesamt, dass der Phasenwinkel, um den die vom Integrator gelieferte Spannung der Detektorspannung nacheilt, nicht einen konstanten Betrag von 90° hat, sondern mit zunehmender Frequenz betragsmässig grösser wird. In the exemplary embodiment, the capacitors 75 and 79 have a capacitance of 33 picofarads and 1 microfarad and the resistors 77 and 89 have resistance values of 1 gigohm and 33 megohms, respectively. The three capacitors 75, 79 and 87 together with the resistors 77, 81 and 89 each form a capacitor / resistor pair, each of which defines an approximately 4.8 Hz cut-off frequency. These cut-off frequencies are therefore significantly lower than the frequencies of the vibrator that result when measuring densities. The various cooperating capacitors and resistors of the charge amplifier 71 and integrator 83 cause frequency-dependent phase shifts or shifts in addition to the phase shifts given in the previous, simplified functional description of the electronic device 61. Overall, these have the effect that the phase angle by which the voltage supplied by the integrator lags the detector voltage does not have a constant amount of 90 °, but rather increases in magnitude with increasing frequency.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel hat der Widerstand 91 einen 10 Kilo-Ohm, der Widerstand 97 einen 33 Kilo-Ohm, der Widerstand 101 einen 6,8 Kilo-Ohm, der Widerstand 107 einen 6,8 Megohm und der Widerstand 109 einen 2,2 Megohm betragenden Widerstandswert. Ferner hat der Kondensator 99 eine 1 Mikrofarad und der Kondensator 105 eine 33 Pikofarad betragende Kapazität. Der Korrektur-Phasenschieber 93 bewirkt dann eine Phasendrehung, deren Frequenzabhängigkeit im vorgesehenen Messbereich gegenläufig zur Frequenzabhängigkeit der vom Ladungsverstärker und Integrator zusammen erzeugten Phasendrehung ist und diese mindestens ungefähr kompensiert. Wenn man die Phasenwinkel als von der Frequenz abhängige Variable darstellt und den eine Phasenverzögerung, d.h. ein phasenmässiges Nacheilen darstellenden Pha-senwinkeln einen negativen Wert und den eine Phasenvorver-schiebung, d.h. ein phasenmässiges Voreilen darstellenden Phasenwinkeln ein positives Vorzeichen zuordnet, ergibt sich im vorgesehenen Messbereich für die vom Ladungsverstärker 71 und Integrator 83 verursachten Phasenverschiebungen oder -drehungen eine negative Steigung und für den Phasenwinkel der vom Korrektur-Phasenschieber bewirkten Phasendrehungen eine positive Steigung. In the present exemplary embodiment, resistor 91 has a 10 kilohm, resistor 97 has a 33 kilohm, resistor 101 has a 6.8 kilohm, resistor 107 has a 6.8 megohm and resistor 109 has a 2.2 megohm amount of resistance. Furthermore, the capacitor 99 has a 1 microfarad and the capacitor 105 has a 33 picofarad capacitance. The correction phase shifter 93 then causes a phase shift, the frequency dependence of which in the intended measuring range is opposite to the frequency dependence of the phase shift generated by the charge amplifier and integrator and at least approximately compensates for this. If one represents the phase angle as a variable dependent on the frequency and a phase delay, i.e. a phase lag representing phase lag is a negative value and that is a phase advance, i.e. assigns a positive sign to a phase angle representing phase advance, there is a negative slope in the measuring range provided for the phase shifts or rotations caused by the charge amplifier 71 and integrator 83 and a positive slope for the phase angle of the phase shifts caused by the correction phase shifter.

In der Figur 6 ist auf der Abszisse der Logarithmus der Frequenz f der Schwingungen des Schwingers 45 und auf der Ordinate der Phasenwinkel (p aufgetragen, um den das Erregungssignal gegen das Detektorsignal verschoben ist. Ferner ist eine Kurve eingezeichnet, die die qualitative Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels <p für das beschriebene Ausführungsbeispiel der Elektronik-Vorrichtung 61 wiedergibt. Die Kurve hat mindestens im vorgesehenen Messbereich, d.h. mindestens bei den 350 bis 500 Hz betragenden Schwingungsfrequenzen, ein Plateau, in dem der Phasenwinkel (p einen mindestens annähernd konstanten, etwa -89,3° betragenden Mittelwert <p0 hat und höchstens etwa ±0,1° von diesem abweicht. 6 shows the logarithm of the frequency f of the vibrations of the oscillator 45 on the abscissa and the phase angle (p by which the excitation signal is shifted against the detector signal on the ordinate. Furthermore, a curve is drawn in which shows the qualitative frequency dependence of the phase angle <p for the described exemplary embodiment of the electronic device 61. The curve has a plateau at least in the intended measuring range, ie at least at the oscillation frequencies of 350 to 500 Hz, in which the phase angle (p has an at least approximately constant, approximately -89, Has an average value of 3 ° <p0 and deviates from it by no more than ± 0.1 °.

Die Aufteilung der Verstärkung des Detektorsignals auf die für das Erregungssignal zur Aufrechterhaltung der Schwinger-Schwingungen erforderliche Grösse auf mehrere, eine Verstärker-Kette bildende, einzeln gegengekoppelte Operationsverstärker 73, 85, 95, von denen der mittlere zum Integrator 83 gehörende Verstärker 85 eine ungefähr 90° betragende Phasenverschiebung bewirkt, trägt zur Verhinderung von Instabilitäten, d.h. von Schwingungen bei, die durch eine Oszillatorwirkung der den Detektor 51 mit dem Erreger 53 verbindenden Schaltungsmittel-Kette entstehen könnten. The distribution of the amplification of the detector signal to the size required for the excitation signal in order to maintain the oscillating oscillations over several, form an amplifier chain, individually opposed operational amplifiers 73, 85, 95, of which the middle amplifier 85 belonging to the integrator 83 is approximately 90 ° causes phase shift contributes to the prevention of instabilities, ie of vibrations that could arise from an oscillator effect of the circuit chain connecting the detector 51 to the exciter 53.

Die vom Integrator 83 erzeugte Wechselspannung gelangt auch zum Eingang des Bandpassfilters 111. Dieses ist derart ausgebildet, dass es Wechselspannungen mit den sich im vorgesehenen Messbereich ergebenden Frequenzen durchlässt. Dagegen werden beispielsweise durch Erschütterungen verursachte Störspannungen mit unter dem Durchlassbereich liegenden Frequenzen sowie beispielsweise durch Rauscheffekte entstandene Störspannungen mit über dem Durchlassbereich liegenden Frequenzen unterdrückt. Die am Ausgang des Bandpassfilters 111 vorhandene Spannung wird dann als mit dem Detektorsignâl verknüpfte, eine zu dessen Amplituden proportionale Amplituden aufweisende Regelgrösse dem als PID-Regler ausgebildeten Regler 115 zugeführt, dessen Stellglied 91, 117 die vom Operationsverstärker 85 zum Operationsverstärker 95 übertragene Spannung derart regelt, dass die Amplituden des Detektorsignals und damit die Amplituden der Schwingungen des Schwingers 45 konstant bleiben. The AC voltage generated by the integrator 83 also reaches the input of the bandpass filter 111. This is designed in such a way that it passes AC voltages with the frequencies resulting in the intended measuring range. In contrast, interference voltages caused by vibrations with frequencies below the pass band and, for example, interference voltages caused by noise effects with frequencies above the pass band are suppressed. The voltage present at the output of the bandpass filter 111 is then fed as a control variable linked to the detector signal and having an amplitude proportional to its amplitudes to the controller 115 designed as a PID controller, whose actuators 91, 117 regulate the voltage transmitted from the operational amplifier 85 to the operational amplifier 95 in this way that the amplitudes of the detector signal and thus the amplitudes of the vibrations of the oscillator 45 remain constant.

Die Ausgangsspannung des Bandpassfilters 111 gelangt ferner über einen Kopplungswiderstand zur Auswertevorrichtung 125. Diese kann beispielsweise einen als Zeitgeber dienenden Oszillator und Schaltungsmittel aufweisen, um die während einer fest vorgegebenen, beispielsweise ungefähr 5000 betragenden Anzahl Schwingungen des Schwingers verstreichende Zeitdauer zu ermitteln, die natürlich proportional zur Schwingungs-Periodendauer ist. Die Auswertevorrichtung zeigt dann beispielsweise die Periodendauer T der Schwingungen mit einer digitalen Anzeigevorrichtung etwa in Millisekunden an. Wenn c und k zwei Konstanten sind, ist der Zusammenhang zwischen The output voltage of the bandpass filter 111 also reaches the evaluation device 125 via a coupling resistor. This can have, for example, an oscillator and circuit means serving as a timer in order to determine the period of time that elapses during a predetermined, for example approximately 5000, number of vibrations of the oscillator, which of course is proportional to the Period of oscillation is. The evaluation device then displays, for example, the period T of the vibrations with a digital display device in approximately milliseconds. If c and k are two constants, the relationship is between

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

7 7

669 671 669 671

der zu messenden Dichte p und der Periodendauer T darstellbar durch die Formel: the density p to be measured and the period T can be represented by the formula:

p = cT2 — k p = cT2 - k

Die beiden Konstanten c und k können durch eine Eichung bestimmt werden, indem für zwei flüssige Eichmaterialien mit bekannten Dichten die sich ergebenden Periodendauern ermittelt werden. Wenn die Dichten von Wasser und Alkohol enthaltenden, alkoholischen Getränken zu ermitteln sind, können als Eichmaterialien destilliertes Wasser und ein Alkohol, etwa n-Propylalkohol verwendet werden, deren Dichten ungefähr 1 g/cm3 bzw. ungefähr 0,8 g/cm3 betragen und also relativ nahe bei den zu messenden Dichten liegen. Die Auswertevorrichtung 125 kann noch einen Rechner mit Speichern sowie Mittel zum Eingeben von Zahlen aufweisen und ausgebildet sein, um zusätzlich zur Periodendauer oder statt dieser die zu messende Dichte und/oder sonst eine mit der Periodendauer verknüpfte Grösse anzuzeigen und/oder auszudrucken. The two constants c and k can be determined by calibration by determining the resulting period durations for two liquid calibration materials with known densities. If the densities of water and alcohol-containing alcoholic beverages are to be determined, distilled water and an alcohol, such as n-propyl alcohol, whose densities are approximately 1 g / cm3 and approximately 0.8 g / cm3, respectively, can be used as calibration materials are relatively close to the densities to be measured. The evaluation device 125 can also have a computer with memories and means for entering numbers, and can be designed to display and / or print out the density to be measured and / or another quantity linked to the period in addition to the period or instead of the period.

Nun sollen noch einige Bemerkungen zur erzielbaren Messgenauigkeit gemacht werden. Da der Schwingungs-Detektor 51 und -Erreger 53 relativ nahe bei den Schwingungsknoten des Schwingers 45 angeordnet sind, haben sie praktisch keine Störeinwirkung auf dessen Schwingungen, was zur Erzielung eines hohen, mindestens etwa 400 betragenden Gütefaktors des mechanischen Schwingers beiträgt. Selbstverständlich können in den piezoelektrischen Elementen des Detektors 51 und Erregers 53 auch keine Phasenverschiebungen infolge von durch Temperaturänderungen verursachten Widerstandsänderungen oder infolge von äusseren Magnetfeldern auftreten, wie es bei der Verwendung der vorbekannten, nicht erfindungsgemässen, induktiven Detektoren und Erregern der Fall war. Die piezoelektrischen Elemente verursachen daher keine oder zumindest praktisch keine frequenz- und/oder temperaturabhängigen Phasenverschiebungen . Now a few comments on the achievable measurement accuracy should be made. Since the vibration detector 51 and exciter 53 are arranged relatively close to the vibration nodes of the vibrator 45, they have practically no interference with its vibrations, which contributes to the achievement of a high, at least about 400, quality factor of the mechanical vibrator. Of course, no phase shifts can occur in the piezoelectric elements of the detector 51 and exciter 53 due to changes in resistance caused by temperature changes or due to external magnetic fields, as was the case when using the previously known inductive detectors and exciters not according to the invention. The piezoelectric elements therefore cause no or at least practically no frequency- and / or temperature-dependent phase shifts.

Wenn für den mechanischen Schwinger 45 ein beispielsweise ungefähr 900 betragender Gütefaktor erzielt wird, bewirkt eine Änderung des zwischen dem Erregungs- und Detektorsignal vorhandenen Phasenwinkels cp um 1 ° eine Veränderung der Schwingungsfrequenz des Schwingers von ungefähr 0,001 %. Wie vorgängig erwähnt worden war, weicht der sich beim Ausführungsbeispiel im Messbereich ergebende Mittelwert <p0 des Phasenwinkels (p weniger als 1° vom Idealwert des Phasenwinkels mit dem Absolutwert oder Betrag von 90° ab. Die Abweichung des Mittelwertes <p0 kann jedoch durch die erwähnte Eichung eliminiert werden. Die sich im Messbereich ergebende, frequenzabhängige Änderung des Phasenwinkels von höchstens ±0,1° kann die Schwingungsfrequenz dann höchstens um ungefähr ±0,0001% verändern. Im übrigen ist die Dichte des sich im Hohlraum des Schwingers 45 befindlichen Getränks natürlich von dessen Temperatur abhängig. Das zum Erzielen einer vorgegebenen, beispielsweise 20°C betragenden Temperatur des Getränks durch die Thermostat-Kammer 15 hindurch geleitete Wasser hält natürlich auch den Schwingungs-Detektor 51 und -Erreger 53 sowie die Elektronik-Vorrichtung 61 auf der gleichen Temperatur. Wenn die Temperatur des im Schwinger 45 enthaltenen Getränks mittels des durch die Thermostat-Kam-mer 15 geleiteten Wassers auf 0,1°K oder sogar 0,01°K genau auf den vorgegebenen Wert von beispielsweise 20°C gebracht wird, kann die Dichte des Getränks ohne weiteres mit einem Messfehler von höchstens 0,001% bzw. höchstens 0,0001% ermittelt werden. Bei einem alkoholischen Getränk kann aus der Dichte und der zusätzlich noch ermittelten Brechungszahl dann dessen Alkoholgehalt errechnet werden, wobei diese Berechnung eventuell vom Rechner der Auswertevorrichtung 125 vorgenommen werden kann. If a quality factor of approximately 900, for example, is achieved for the mechanical oscillator 45, a change in the phase angle cp between the excitation and detector signal by 1 ° causes a change in the oscillation frequency of the oscillator of approximately 0.001%. As previously mentioned, the mean value <p0 of the phase angle (p less than 1 ° from the ideal value of the phase angle with the absolute value or amount of 90 ° in the measuring range in the exemplary embodiment deviates. However, the deviation of the mean value <p0 can be caused by the mentioned The frequency-dependent change in the phase angle of at most ± 0.1 ° in the measuring range can then change the oscillation frequency by at most about ± 0.0001%. Otherwise, the density of the beverage in the cavity of the vibrator 45 is natural The water passed through the thermostat chamber 15 to achieve a predetermined temperature of the beverage, for example 20 ° C., naturally also keeps the vibration detector 51 and exciter 53 and the electronic device 61 at the same temperature If the temperature of the beverage contained in the transducer 45 is increased by means of the thermostat K 15 conducted water to 0.1 ° K or even 0.01 ° K exactly to the specified value of, for example, 20 ° C, the density of the beverage can easily with a measurement error of at most 0.001% or at most 0 , 0001% can be determined. In the case of an alcoholic beverage, its density and the additionally determined refractive index can then be used to calculate its alcohol content, this calculation possibly being able to be carried out by the computer of the evaluation device 125.

Die Figur 7 zeigt einen Ausschnitt einer Variante der Einrichtung mit einem Halter 231 und einem Schwinger 245, der FIG. 7 shows a section of a variant of the device with a holder 231 and an oscillator 245

ähnlich ausgebildet und befestigt sein kann wie der Schwinger 45. Ein Schwingungs-Detektor 251 weist zwei am Schwinger 245 befestigte, etwa angelötete oder festgeklemmte, ringförmige Halteelemente 259 und zwei plättchen- oder stäbchenförmige, piezoelektrische Elemente 255, 257 auf. Diese sind auf einander abgewandten Seiten des Schwingers 245 und von diesem beispielsweise durch einen Zwischenraum getrennt mit ihren Enden je an einem der beiden Halteelementen 259 befestigt, etwa angelötet oder angeklebt, und haben je zwei Anschlüsse, von denen der eine über den metallischen Schwinger 245 und der andere über einen Leiter 263 bzw. 265 mit der Elektronik-Vorrichtung verbunden ist. Wenn der Schwinger 245 beim Ermitteln einer Dichte Biegeschwingungen ausführt und sich abwechselnd in der durch einen mit voller Linie und einem gestrichelt gezeichneten Pfeil bezeichneten Richtungen biegt, wird jedes der beiden piezoelektrischen Elemente 255, 257 abwechselnd parallel zur Achse des ihm benachbarten Schwingerabschnitts gedehnt und zusammengedrückt, wie es durch mit vollen Linien und gestrichelt gezeichnete Pfeile angedeutet ist. Die piezoelektrischen Elemente weisen je nur ein einziges piezoelektrisch wirksames Plättchen auf und sind derart ausgebildet, dass sie bei den genannten Abmessungs-Änderungen entlang der Achse des sich zwischen ihnen befindenden Schwingerabschnitts ein elektrisches Detektorsignal erzeugen. Da die beiden piezoelektrischen Elemente 255, 257 gegenläufig deformiert werden, können ihre Anschlüsse mit entgegengesetzter Polung elektrisch parallel geschaltet und mit dem Eingang des Ladungsverstärkers bzw. dem Massenanschluss der Elektronik-Vorrichtung verbunden werden. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Elemente 255, 257 elektrisch in Serie zu schalten. Der Schwingungs-Erreger kann mit zwei in analoger Weise angeordneten, piezoelektrischen Elementen 255, 257 versehen sein, die beim Zuführen eines Erregungssignals ihre Abmessungen ändern. A vibration detector 251 has two ring-shaped holding elements 259 fastened, for example soldered or clamped, to the vibrator 245 and two plate-shaped or rod-shaped piezoelectric elements 255, 257. These are fastened, for example soldered or glued, at their ends to one of the two holding elements 259, for example soldered or glued, on each side of the vibrator 245 facing away from it and separated by an intermediate space, and each have two connections, one of which is connected to the metallic vibrator 245 and the other is connected to the electronic device via a conductor 263 or 265. If the vibrator 245 executes bending vibrations when determining a density and bends alternately in the directions indicated by a full line and a dashed arrow, each of the two piezoelectric elements 255, 257 is alternately stretched and compressed parallel to the axis of the adjacent vibrating section, as indicated by arrows drawn with full lines and dashed lines. The piezoelectric elements each have only a single piezoelectrically active plate and are designed such that they generate an electrical detector signal in the case of the dimensional changes mentioned along the axis of the oscillator section located between them. Since the two piezoelectric elements 255, 257 are deformed in opposite directions, their connections with opposite polarity can be electrically connected in parallel and connected to the input of the charge amplifier or the ground connection of the electronic device. Of course, it would also be possible to electrically connect elements 255, 257 in series. The vibration exciter can be provided with two piezoelectric elements 255, 257 which are arranged in an analog manner and which change their dimensions when an excitation signal is supplied.

Selbstverständlich könnte man beim Detektor 251 und Erreger je nur ein piezoelektrisches Element vorsehen, beispielsweise nur das piezoelektrische Element 255. Ferner könnten auch piezoelektrische Elemente, die bei einer parallel zu einer Geraden erfolgenden Abmessungsänderung ein elektrisches Detektorsignal erzeugen bzw. durch ein elektrisches Erregungssignal entsprechend deformierbar sind, analog wie die Elemente 55 am Schwinger anliegen und unmittelbar an diesem befestigt werden. Of course, the detector 251 and the exciter could each have only one piezoelectric element, for example only the piezoelectric element 255. Furthermore, piezoelectric elements could also be used which generate an electrical detector signal when there is a change in dimension parallel to a straight line or are deformable accordingly by an electrical excitation signal , analogous to how the elements 55 rest on the transducer and are attached directly to it.

Die Variante der Einrichtung, von der einige Teile schematisiert in der Figur 8 dargestellt sind, weist einen Halter 431, The variant of the device, some parts of which are shown schematically in FIG. 8, has a holder 431,

einen an diesem befestigten, mechanischen Schwinger 445, a mechanical oscillator 445 attached to it,

einen Schwingungs-Detektor 451 und einen Schwingungs-Erreger 453 auf. Der Schwinger 445 besteht aus einem Rohrstück, das derart gebogen ist, dass es zusammen mit dem Halter 431 eine Gabel mit zwei Zinken bildet, die beim Schwingen wie bei einer Stimmgabel in den durch Pfeile angedeuteten Richtungen zueinander hin und voneinander weg schwingen. Der Detektor 451 und der Erreger 453 sind je in der Nähe einer Befestigungsstelle des Schwingers angeordnet und weisen je mindestens ein piezoelektrisches Element auf, das wie das Element 51 oder wie die Elemente 255, 257 ausgebildet sein kann. Da der stimmgabelartige Schwinger 445 beim Schwingen fast keine Energie an den Halter 431 abgibt und einen entsprechend grossen Gütefaktor hat, kann bei dieser Variante der Träger, zu dem der Halter gehört, starr mit der auf einer Auflage stehenden Tragvorrichtung verbunden sein. Falls der Träger trotz der geringeren Energieabgabe des Schwingers noch schwenkbar an der Tragvorrichtung gehalten werden soll, wäre die Schwenkachse rechtwinklig zur Ebene anzuordnen, der entlang die beiden Zinken des Schwingers schwingen. a vibration detector 451 and a vibration exciter 453. The oscillator 445 consists of a piece of pipe which is bent in such a way that, together with the holder 431, it forms a fork with two prongs which, when oscillating, oscillate towards and away from one another in the directions indicated by arrows, as in the case of a tuning fork. The detector 451 and the exciter 453 are each arranged in the vicinity of an attachment point of the vibrator and each have at least one piezoelectric element, which can be designed like element 51 or like elements 255, 257. Since the tuning fork-like oscillator 445 emits almost no energy to the holder 431 during oscillation and has a correspondingly high quality factor, in this variant the carrier to which the holder belongs can be rigidly connected to the support device standing on a support. If, despite the lower energy output of the vibrator, the carrier is still to be pivotably held on the carrying device, the pivot axis would have to be arranged at right angles to the plane which vibrates along the two prongs of the vibrator.

In der Figur 9 sind schematisierte Teile einer Einrichtung dargestellt, deren Schwinger-Halter 631 zwei in irgend einer Weise starr miteinander verbundene Teile 631a und 631b und FIG. 9 shows schematic parts of a device whose oscillator holder 631 has two parts 631a and 631b and which are rigidly connected to one another in some way

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

669 671 669 671

8 8th

einen Schwinger 645 aufweist. Dieser ist durch ein Stück eines Rohrs gebildet, das einen S-förmigen Abschnitt und auf einander abgewandten Seiten von diesem wegragende, im Teil 631a bzw. 631b des Halters befestigte Schenkel aufweist, die eine gemeinsame Achse haben, so dass der Schwinger 645 Torsionsschwingungen um diese ausführen kann. Ein Schwingungs-De-tektor 651 und ein Schwingungs-Erreger 653 weisen je ein am Teil 631a bzw. 631b befestigtes Halteelement 659 und zwei piezoelektrische Elemente 655 und 657 auf. Die letzteren greifen einenends am Halteelement 659 und andernends tangential an Umfangsstellen des Schwingers 645 an und sind derart ausgebildet und elektrisch mit einer Elektronik-Vorrichtung verbunden, dass sie bei Abmessungsänderungen rechtwinklig zur Achse, um die der Schwinger 645 Torsionsschwingungen ausführt, ein elektrisches Detektorsignal erzeugen bzw. unter der Einwirkung eines elektrischen Erregungssignals eine Torsions-Erregungs-kraft auf den Schwinger ausüben. Der Träger, zu dem der Halter 631 gehört, kann entweder starr oder schwenkbar an einer der Tragvorrichtung 3 entsprechenden Trag Vorrichtung gehalten sein. Im Fall einer schwenkbaren Verbindung sollte deren Schwenkachse parallel zur Achse sein, um die der Schwinger 645 schwingen kann, und beispielsweise mindestens ungefähr mit dieser letztgenannten Achse zusammenfallen. has an oscillator 645. This is formed by a piece of a tube which has an S-shaped section and legs which protrude on opposite sides of it and which are fastened in part 631a or 631b of the holder and have a common axis, so that the oscillator 645 has torsional vibrations about this can perform. A vibration detector 651 and a vibration exciter 653 each have a holding element 659 fastened to part 631a and 631b and two piezoelectric elements 655 and 657. The latter engage at one end on the holding element 659 and at the other end tangentially at the circumferential points of the vibrator 645 and are designed and electrically connected to an electronic device in such a way that, when there are changes in dimension, they generate an electrical detector signal at right angles to the axis about which the vibrator 645 executes torsional vibrations exert a torsional excitation force on the transducer under the influence of an electrical excitation signal. The carrier to which the holder 631 belongs can be held either rigidly or pivotably on a carrier device corresponding to the carrier device 3. In the case of a pivotable connection, its pivot axis should be parallel to the axis about which the oscillator 645 can swing and should, for example, coincide at least approximately with this latter axis.

Die Einrichtungen können noch in anderer Hinsicht geändert werden. Die Elektronik-Vorrichtung könnte statt im freien Hohlraum der Schwinger-Kammer im Innern eines noch von der Thermostat-Kammer umschlossenen Abschnitts des den Schwinger haltenden Halters angeordnet werden, wo sie durch das durch die Thermostat-Kammer hindurch geleitete Wasser ebenfalls noch auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. The facilities can be changed in other ways. Instead of in the free cavity of the oscillator chamber, the electronic device could be arranged inside a section of the holder holding the oscillator which is still enclosed by the thermostat chamber, where it also remains at a constant temperature through the water which is passed through the thermostat chamber is held.

Wenn nur relativ geringe Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt werden, kann man auf eine Thermostat-Kammer und natürlich auch auf das Umwälzen einer Flüssigkeit mit einer auf einen konstanten Wert geregelten Temperatur sowie auf eine den Schwinger dicht einschliessende, mit Helium gefüllte Kammer verzichten. If only relatively low demands are placed on the measuring accuracy, a thermostatic chamber and of course the circulation of a liquid with a temperature regulated to a constant value and a chamber tightly enclosing the transducer and filled with helium can be dispensed with.

Die Schaltung der Elektronik-Vorrichtung kann ebenfalls noch in verschiedener Hinsicht geändert werden. Beispielsweise könnte man den Ladungsverstärker 73 durch einen anders ausgebildeten Impedanzwandler, etwa einen als Folger geschalteten Feldeffektransistor ersetzen. In die den Ausgang des Bandpassfilters mit der Auswertevorrichtung verbindende Verbindung könnte noch ein Impulsformer geschaltet werden, um der Auswertevorrichtung statt einer Wechselspannung eine Impulsfolge zuzuführen. Zudem könnte der Korrektur-Phasenschieber in bezug auf die Signalflussrichtung vor dem Integrator angeordnet werden. Ferner könnte man das Netzwerk des Korrektur-Phasenschiebers 93 dahingehend modifizieren, dass der Mittel-5 wert der Phasenverschiebung zwischen das Erregungs- und Detektorsignal im Messbereich betragsmässig genau 90° ist. The circuitry of the electronic device can also be changed in various ways. For example, the charge amplifier 73 could be replaced by a differently designed impedance converter, such as a field effect transistor connected as a follower. A pulse shaper could also be connected to the connection connecting the output of the bandpass filter to the evaluation device in order to supply a pulse train to the evaluation device instead of an AC voltage. In addition, the correction phase shifter could be arranged in front of the integrator with respect to the signal flow direction. Furthermore, the network of the correction phase shifter 93 could be modified such that the mean value of the phase shift between the excitation and detector signals in the measuring range is exactly 90 ° in terms of amount.

Des weitern könnte der Operationsverstärker des Integrators nicht-invertierend geschaltet werden, wobei der bei der Elektronik-Vorrichtung 61 mit dem Kondensator 79 verbundene Anschluss des Widerstandes 81 statt mit dem Kondensator 79 mit dem Massen-Anschluss und der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 85 statt mit dem Massen-Anschluss über einen Widerstand mit dem Kondensator 79 verbunden würde. Ferner könnte der Operationsverstärker des Korrektur-Phasen-schiebers invertierend geschaltet und/oder noch ein zusätzlicher Verstärker in der den Schwingungs-Detektor mit dem Schwin-gungs-Erreger verbindenden Verstärkerkette vorhanden sein. Falls derartige Änderungen vorgenommen werden, kann sich zwischen dem Erregungs- und Detektorsignal je nach der Anzahl Spannungsinversionen in der den Schwingungs-Detektor mit dem Schwingungs-Erreger verbindenden Verstärkerkette ungefähr die gleiche Phasenverschiebung wie bei der Elektronik-Vorrichtung 61 oder eine zusätzliche Verschiebung von 180° ergeben. Damit sich im letzteren Fall trotzdem die richtige Phasenlage der Erregungskraft mit Bezug auf die Beschleunigung und Auslenkung des Schwingers ergibt, kann beispielsweise entweder beim Schwingungs-Detektor oder beim Schwingungs-Erreger die Polung des bzw. jedes piezoelektrischen Elements umgekehrt oder die Anordnung der piezoelektrischen Elemente bezüglich des Schwingers geändert werden. Furthermore, the operational amplifier of the integrator could be switched non-inverting, the connection of the resistor 81 connected to the capacitor 79 in the electronic device 61 instead of the capacitor 79 to the ground connection and the non-inverting input of the operational amplifier 85 taking place would be connected to the capacitor 79 via the resistor via a resistor. Furthermore, the operational amplifier of the correction phase shifter could be switched inverting and / or an additional amplifier could be present in the amplifier chain connecting the vibration detector to the vibration exciter. If such changes are made, there may be approximately the same phase shift as in the electronic device 61 or an additional shift of 180 ° between the excitation and detector signals depending on the number of voltage inversions in the amplifier chain connecting the vibration detector to the vibration exciter surrender. So that, in the latter case, the correct phase position of the excitation force with respect to the acceleration and deflection of the vibrator nevertheless results, the polarity of the or each piezoelectric element can be reversed, for example, either with the vibration detector or with the vibration exciter, or the arrangement of the piezoelectric elements with respect of the transducer can be changed.

Die Einrichtungen können nicht nur zum Messen der Dichte von alkoholischen Getränken, wie Weinen, Bieren und Schnäpsen, sondern auch zum Ermitteln der Dichte von anderen Was-35 ser und Alkohol enthaltenden Flüssigkeiten verwendet werden, bei denen dann ebenfalls durch eine zusätzliche Messung der Brechungszahl der Alkoholgehalt ermittelt werden kann. Des weitern können die Einrichtungen zur Ermittlung der Dichte von alkoholfreien Getränken, wie Fruchtsäften, oder anderen 40 flüssigen, etwa pharmezeutischen Materialien, oder auch pastö-sen Materialien, wie z.B. Tomaten-Ketchup oder Cremen und Salben für pharmazeutische und kosmetische Zwecke dienen. Schliesslich kann auch die Dichte gasförmiger Materialien bestimmt werden. The devices can be used not only to measure the density of alcoholic beverages, such as wines, beers and schnapps, but also to determine the density of other water and alcohol-containing liquids, in which then also by an additional measurement of the refractive index Alcohol content can be determined. Furthermore, the devices for determining the density of non-alcoholic beverages, such as fruit juices, or other 40 liquid, such as pharmaceutical materials, or also pasty materials, such as e.g. Tomato ketchup or creams and ointments are used for pharmaceutical and cosmetic purposes. Finally, the density of gaseous materials can also be determined.

v v

2 Blätter Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

669 671

1. Device for determining the density of a gaseous, liquid or pasty material, with a mechanical vibrator (45, 245, 445, 645) held by a carrier (13) and having a cavity for receiving the material, one in operative connection with it standing vibration detector (51, 251, 451, 651) for generating an electrical detector signal, a vibration exciter (53, 453, 653) in operative connection with the vibrator (45, 245, 445, 645) and one of the Vibration detector (51, 251, 451, 651) electrically connecting electronic device (61) to the vibration exciter (53, 453, 653) in order to supply an electrical excitation signal to the vibration exciter (53, 453, 653), characterized in that the vibration detector (51, 251, 451, 651) and the vibration exciter (53, 453, 653) each have at least one piezoelectric element (55, 255, 257, 655, 657) and that the electronics Device (61) circuit means (83, 93) for generating an egg N ner phase shift between the excitation and detector signal.

2. Device according to claim 1, characterized in that said circuit means (83, 93) have an integrator (83).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Device according to claim 2, characterized in that the integrator (83) has an operational amplifier (85) and a negative feedback element connecting its output and inverting input with a capacitor (87), which is preferably connected in parallel with a resistor (89).

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the electronic device (61) has an impedance converter, preferably formed by a charge amplifier (71), via which the vibration detector (51) is connected to the integrator (83).

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the electronic device (61) a in series with the integrator (83), for example between this and the vibration exciter (53) connected correction phase shifter (93) to cause a phase shift, the phase angle of which increases in a frequency range with increasing frequency, if a leading phase shift causing positive phase shift and a lagging negative phase shift are assigned.

6. Device according to claim 5, characterized in that the correction phase shifter (93) has an operational amplifier (95) whose inverting input and output with one of resistors (97, 101, 107, 109) and capacitors (99, 103, 105) formed network are connected.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electronic device (61), for example, a PID controller (115) designed to regulate the size of the excitation signal when determining a density such that the vibrations of the vibrator (45) have a constant amplitude, and has a bandpass filter (111), the input of which, for example based on the direction of signal flow from the vibration detector (51) to the vibration exciter (53) upstream of the actuator (91, 117) of the controller (115), with which the circuit detector chain connecting the vibration detector (51) to the vibration exciter (53) is connected and the output of which is connected to the controller (115) in order to supply it with a voltage linked to the detector signal as a controlled variable .

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the oscillator (45, 245, 445, 645) is tubular and is held at both ends on the carrier (13) and in that the vibration detector (51, 251, 451, 651) and vibration exciters (53, 453, 653) are arranged at mutually facing end sections of the vibrator (45, 245, 445, 645).

9. The device according to claim 8, characterized in that the maximum distances of the points of attack of the vibration detector (51) and the vibration exciter (53) on the vibrator (45) of interfaces that the vibratable vibrator (45) at the relevant end of delimit the carrier (13) holding the oscillator (45) and in which oscillation nodes arise during oscillation, is at most 20% of half the length of the oscillator (45).

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the or each piezoelectric element (55, 255, 257) of the vibration detector (51, 251, 451) for generating an electrical voltage when bending the vibrator (45 , 245, 445) and that the or each piezoelectric element of the vibration exciter (53, 453) is designed to exert bending moments on the vibrator (45, 245, 445), the piezoelectric elements (55, 255, 257) and the electronic device (61) are preferably arranged and / or designed to allow the oscillator (45, 245, 445, 645) to oscillate at its basic resonance frequency.

11. The device according to claim 10, characterized in that the or each piezoelectric element (55, 255, 257) of the vibration detector (51, 251) and the vibration exciter (53, 253) is designed and arranged such that the oscillator (45, 245) is bent during oscillation along a plane which is perpendicular to a plane spanned by the axis of the oscillator (45, 245) in the idle state.

Device according to claim 11, characterized in that each piezoelectric element (55, 255, 257) is arranged on one side of the plane spanned by the axis of the vibrator (45, 245) in its idle state, e.g. the vibration detector (51, 251) and the vibration exciter (53, 253) each have a piezoelectric element (55) arranged on the same side of this plane or two piezoelectric elements (255, 257).

13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the vibrator (45, 245, 445, 645) by an integral, at least from one to the other of the carrier (13) held ends of the vibrator (45, 245, 445, 645) extending tube (43) is formed.