CN109752280B - 用于确定流体介质的密度的密度测量装置 - Google Patents

用于确定流体介质的密度的密度测量装置 Download PDF

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Abstract

用于确定流体介质密度的密度测量装置包括用于收纳待检查的流体介质的中空体。中空体包括至少两个平行管区段及位于管区段的第一端上的连接管线，所述管线将管区段连接为U形。在管区段的第二端上，中空体配备有包括至少两个夹持管的夹持元件，管区段终止于夹持管内。在密度测量装置中具有包括用于激励管区段的振荡的压电元件的激励装置和包括用于检测表征激励的振荡的变量的压电元件的传感器装置，激励装置的和传感器装置的压电元件分别在与管区段的纵轴线所形成的平面平行的平面中分别附接到夹持元件的接触区域。接触区域设在夹持元件的相对于管区段的近端。各接触区域延伸跨越两个夹持管，各压电元件也都在其最长边的方向上延伸跨越两个夹持管。

Description

用于确定流体介质的密度的密度测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体介质的密度的密度测量装置，所述密度测量装置具有设计成用于收纳待检查的流体介质的弯折谐振器的中空体。
背景技术
使用弯折谐振器的流体介质的密度测量是基于填充有流体介质的管的自然振荡随介质的密度而变化这样的事实。可以使用振荡系统的特征参数的测量，诸如振幅和/或衰减、质量、损耗角和/或谐波，特别是在以适当频率激励后振荡的自然周期或频率，以及振荡系统的响应的确定来确定密度。
EP 3015847 A1公开了一种流体介质的密度测量的方法和测量装置。具有质量平衡的弯曲谐振器，特别是所谓的折叠或双弯曲振荡器被用作密度传感器。设置在折叠振荡器的彼此平行的管的弯曲部中的磁系统和压电元件可以用作激励装置和传感器装置，其中所述弯曲部位于管的相对于管的末端的远端。具有质量平衡并且测量和感测与其关联的电子器件的弯曲谐振器优选地完全封闭在壳体或盒中。盒可移除或可替换地连接至用于密度测量的测量装置。
AT 12 626U1描述了一种用于确定流体介质的密度的密度测量装置，其包括作为弯折振荡器的中空体，该中空体包括两个平行的管区段和U形管。此外，设置激励装置和传感器装置，其包括例如压电元件或具有线圈的磁系统。激励装置和传感器装置例如能够在外侧附接到形成U形管的平行的管区段。用于激励振荡器的激励装置优选地可布置为与由管区段的纵轴线形成的平面平行。为平行于由纵轴线形成的平面或在该平面中激励振荡。管区段在一端上被夹持并且设计为X型振荡器，这意味着它们在所述平面中在相反的方向上振荡。至少检测管区段中的一个的振荡周期用于确定密度。
根据现有技术的设计具有如下缺点：密度测量装置的激励装置和传感器装置——特别是当使用磁系统时——由于它们的质量和热容量而在灵敏度和响应时间方面对振荡系统产生不利影响。当激励装置和传感器装置直接附接至振荡管时尤其如此。此外，信号串扰和不希望的振荡模式的激励可能存在问题，这会对密度测量产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种与现有技术相比易于制造并且具有改善的灵敏度和改善的热时间常数的密度测量装置。此外，密度测量装置受外部振荡的影响应当最小化。
通过根据本发明的密度测量装置实现该目的。本发明的技术方案涉及用于确定流体介质的密度的密度测量装置的其它有利实施例。
用于确定流体介质的密度的密度测量装置包括用于收纳待检查的流体介质的中空体。中空体包括至少两个平行的管区段以及位于所述至少两个平行的管区段的第一端上的连接管线，所述连接管线将所述至少两个平行的管区段连接为U形。在所述至少两个平行的管区段的第二端上，中空体配备有夹持元件，所述夹持元件包括至少两个夹持管，至少两个平行的管区段终止于夹持管内。
密度测量装置中设有激励装置和传感器装置，激励装置包括用于激励管区段的振荡的压电元件，传感器装置包括用于检测表征所激励的振荡的变量的压电元件，其中，激励装置的压电元件和传感器装置的压电元件分别在与所述至少两个管区段的纵轴线所形成的平面平行的平面中分别附接到夹持元件的接触区域。夹持元件的接触区域设置在夹持元件的相对于所述至少两个管区段的近端上。每个接触区域延伸跨越两个夹持管，压电元件中的每一个都同样地在压电元件的最长边的方向上延伸跨越两个夹持管。
夹持元件应理解为中空体的用于将中空体夹持至保持器中的区域。中空体优选地设计为一体件并且优选由玻璃制成。
由于压电元件的尺寸最长的一侧几乎在相应的接触区域的整个宽度上延伸，这意味着它们各自与两个夹持管接触，中空体的所述至少两个管区段同时并且以大约相同幅度被激励而振荡，并且因此振荡的中空体的信号经由两个管区段等同地检测，与如现有技术中公开的单侧激励和在一个相应管区段上的振荡信号检测相比，这使得激励信号和传感器信号的幅度更高，因此用于确定流体介质的密度的密度测量装置的灵敏度更高。此外，压电元件的布置产生振荡系统的改善的对称性。
激励装置的压电元件和传感器装置的压电元件设置在中空体的不太敏感的部分上，即夹持元件上。这减小了它们对中空体振荡的影响，这意味着管区段可以在很大程度上自由震动。另外，由于中空体的震动部件的质量较小，因此破坏玻璃的风险降低。
此外，压电元件由于其与基于磁体的激励装置和/或传感器装置相比的低质量而减小了对中空体的振荡的影响。从机械的角度来看，这种较低的质量会提高传感器的灵敏度。从热学角度来看，这种较低的质量会在缩短的时间内产生热补偿。
压电元件的紧固位置、即在夹持元件上的紧固位置和压电元件的相对低的质量都导致振荡系统的热时间常数缩短。由于不再需要用于加热中空体的磁线圈，因此进一步改善了热时间常数的缩短并因此缩短了密度测量装置的加热时间。
简化的设计使得这种密度测量装置更轻便且生产成本更低。
在实施例中，夹持元件的接触区域设计为相应夹持管的外周表面的平行设置的平坦区段。
在另一实施例中，夹持元件的夹持管在它们相对于至少两个管区段的远端处融接，并且在它们相对于至少两个管区段的近端处通过间隙分开。夹持元件的接触区域的平行于夹持管的中心纵轴线的尺度至多对应于间隙的长度。这导致振荡激发区域的稳定性增加。
密度测量装置优选地具有下述特征：夹持管包括锥形地窄缩的并朝向管区段减小它们的壁厚和外径的两个玻璃管，所述玻璃管在它们近端上与所述管区段融合。
夹持管的内径等于管区段的内径，由于优选地由玻璃构成的夹持管与优选由玻璃构成的管区段的融合，因此，过渡区域包括光滑无缺陷的内表面。这样产生一体式的中空体。特别地，夹持管的壁厚是管区段的壁厚的至少六倍，这确保了另外提高用于振荡激励的区域的稳定性。
在密度测量装置的另一实施例中，夹持元件的夹持管的相对于所述至少两个管区段的远端包括用于供给和排放流体介质的端口。
在密度测量装置的另一实施例中，中空体设计为具有四个平行的管区段的折叠振荡器，其中，由U形连接管线连接的两个管区段分别设置在与由夹持管的中心纵轴线以及另两个管区段的中心纵轴线形成的平面平行的平面中，并且通过弯曲点与另两个管区段连接，其中，U形连接管线面向夹持元件的近端。
具有四个平行的管区段的作为所谓折叠振荡器的中空体的设计具有如下优点：在相对小的空间中创建了用于待检查的流体介质的振荡结构。因此折叠振荡器是在弯曲点处弯回其自身的U管。本文中重要的是，管区段始终彼此平行，并且U管的相应的两个管区段的中心纵轴线形成两个平行面。振荡在由中心纵轴线扩展的平面中进入相反的方向。
所述至少两个平行的管区段的第一端上的U形连接管线通过稳定元件、特别是十字强化件加强。
在密度测量装置的一特定实施例中，保持器能够在夹持元件的远端附近抓持夹持元件，保持器连接至电路板，所述电路板配备有用于激励所述激励装置的所述压电元件的电子器件和用于接收由所述传感器装置的所述压电元件检测的信号的电子器件。
由于激励装置和传感器装置包括相似类型的压电元件、特别是由压电陶瓷制成的元件，所以特别地改善了密度测量装置的对称特征。
对于电接触，激励装置的压电元件和传感器装置的压电元件包括相应的压电元件的呈结构金属涂层形式的电极。有利地，第一供电线利用压电元件的第一电极附接到压电元件的背离夹持元件的接触区域的表面，第二供电线也利用压电元件的第二电极附接到压电元件的背离夹持元件的接触区域的表面，其中，第二电极经由所述压电元件的端面通过外围接触导电地连接到压电元件的面对接触区域的表面上的金属涂层。能够借助于焊接或借助于导电粘接或借助于弹性接触进行所述压电元件的电接触。
附图说明
下面参考高度示意性附图描述本发明。其中：
图1示出用于确定流体介质的密度的密度测量装置的透视图；
图2示出图1的密度测量装置的侧视图；
图3示出图1的密度测量装置的平面图；
图4示出紧固在保持器中并且经由保持器连接至电路板的用于确定密度的密度测量装置的透视图；
图5示出压电元件的布线的框图。
具体实施方式
在图中示出作为所谓的折叠振荡器的密度测量装置。折叠振荡器是在弯曲点处弯回其自身的U管。本文中重要的是，管区段始终彼此平行，并且U管的两个相应的管区段的中心纵轴线形成两个平行面。
在两个U管腿的中心纵轴线所形成的平面中，管区段或两个U管腿的振荡运动分别在反方向上，无论它们形成了简单的U管振荡器还是它们折回它们自身地形成折叠振荡器。因此不需要平衡物，因为惯性力在振荡运动中相互抵消。
图1示出用于确定流体介质的密度的密度测量装置的中空体1的透视图。流体介质位于用于确定密度的中空体1中。中空体1的夹持元件2用于将中空体1夹持到保持器中，并且包括彼此平行设置的两个夹持管(5、5a)。
在图1的顶部和底部还示出了在夹持元件2上设置成彼此相反的接触区域3、3a，其中接触区域3,3a表示夹持元件2的滚圆金属表面上的平坦区段。接触区域3、3a分别延伸跨越两个夹持管5、5a。压电元件4、4a分别紧固、优选地胶合至相反的接触区域3、3a中的一个。压电元件4、4a几乎延伸跨越相应的接触区域3、3a的整个宽度，即，它们各自与两个夹持管5、5a相接触。压电元件4、4a是激励装置和传感器装置的部件，其在中空体1中激励振荡并且捕捉中空体1的振荡。激励和捕捉振荡的功能由激励装置和传感器装置的布线预先设定，然而每个压电元件4、4a都能够承担其中一个以及另一个功能。优选但非必要的是，压电元件4、4a为相同的设计。压电元件4、4a的优选材料是由德国PI-Ceramic制造的压电陶瓷，以商品名PIC255而闻名。
夹持元件2的夹持管5、5a在接触区域3、3a附近窄缩并且过渡为两个平行的管区段6、6a。夹持管5、5a在它们的相对于两个管区段6、6a的远端上融合，并且在它们的相对于至少两个管区段6、6a的近端上由间隙分开(见图3)。通过减小夹持管5、5a的壁厚实现使夹持管5、5a窄缩，这意味着夹持管5、5a的壁厚至少是管区段6、6a的壁厚的6倍。夹持管5、5a的内径等于管区段6、6a的内径，并且由于优选地由玻璃构成的夹持管5、5a与优选由玻璃构成的管区段6、6a的融合，因此，过渡区域包括光滑无缺陷的内表面。间隙的长度至少对应于接触区域3、3a的沿管区段6、6a的中心纵轴线的方向的尺度(见图3)。
两个平行的管区段6、6a在它们的背离夹持元件2的端部上——在图1中向上——弯曲为U形，并且在与管区段6、6a的中心纵轴线所形成的平面平行的——在图1中位于上方的——平面中延续为管区段7、7a，管区段7、7a也彼此平行并且平行于管区段6、6a地设置。这些弯曲点8、8a位于与管区段6、6a以及7、7a所形成的平面垂直的平面内。两个管区段7、7a在它们的面向夹持元件2的端部处由U形连接管线9连接，该U形连接管线9位于管区段7、7a的平面中并面向夹持元件2的近端，从而形成了用于收纳流体介质的中空体1的连续的中空空间，所述中空空间开始于夹持管5、5a，经过管区段6、6a、弯曲点8、8a以及管区段7、7a和连接管区段7、7a的U形连接管线9。
中空体1由此形成具有四个平行的管区段6、6a、7、7a的所谓的折叠振荡器。该布置具有如下优点：在相对小的空间中创建用于待检查的流体介质的振荡结构。振荡进入沿着由管区段6、6a和管区段7、7a形成的平面的中心纵轴线的相反方向。
U形连接管线9的弧部内的稳定元件10用于加强。该稳定元件10是有利的，但不是必要的。
图2示出图1的密度测量装置的中空体1的侧视图，图3示出中空体1的平面图。管区段6和7的中心纵轴线在图2中标记为A和B。这些轴线与图2中不可见的管区段6a、7a的相应的中心纵轴线一起形成了彼此平行设置的两个平面，折叠振荡器的管区段6、6a、7、7a在所述平面中延伸。夹持元件2的夹持管5、5a也在由中心纵轴线A、A'限定的平面中延伸，如图3所示。这意味着管区段6、6a的中心纵轴线A、A'也形成夹持管5、5a的中心纵轴线。
相应的夹持管5、5a的周向表面在它们的相对于管区段的近端附近变平，并且形成平坦的接触区域3、3a，所述接触区域与中心纵轴线A、A'形成的平面平行地延伸。压电元件4、4a紧固、优选胶合到这些接触区域3、3a，在图2中，压电元件中一个在夹持元件2的顶部处可见并且一个在底部处可见。使用的粘合剂是已知用于紧固应变计的粘合剂。在其二维尺度上，压电元件4、4a也设置在与中心纵轴线A、A'所形成的平面平行的平面中。
图3以平面图示出中空体1。附接至接触区域3的压电元件4在压电元件的背离接触区域3、在图3中面对观察者的一侧上包括两个电极11、12，用于布设压电元件4的供电线13、14附接至所述电极11、12。电极11、12是压电元件4的结构化金属涂层，其中，电极11表示压电元件4的背离接触区域3的表面的部分涂层，电极12优选导电地连接到压电元件4的面对接触区域3的表面的优选的全表面金属涂层。该导电连接以所谓的外围接触经由压电元件4的端面中的一个连续到接触区域12，该接触区域覆盖压电元件4的背离接触区域3的表面的一部分。压电元件4的另外三个侧表面未涂覆。同样地，压电元件4的背离接触区域3的表面上的绝缘区域16未涂覆，从而使电极11相对于电极12绝缘。
电极11、12与供电线13、14之间优选为焊接连接。替代地，可以经由弹性元件或使用导电粘合剂的胶合连接进行导电连接。
电源线13、14在夹持元件2中通过间隙15导通到用作支撑元件的电路板(见图4)。
稳定元件10是设置在图3中的U形连接管线的弧部内的T形结构。
从图1到3可以得出，中空体1设计为振荡结构，其相对于图3中绘制的对称平面S对称。该对称平面S相对于管区段6、6a的轴线A、A'所形成的平面以及管区段7、7a的轴线B、B'所形成的平面正交地延伸，并且相对于中空体1居中。对于用于确定流体介质密度的密度测量装置的无故障操作而言，在制造中空体1和布置压电元件4时保持结构和部件相对于平面S的高度对称性是特别重要的。
形成激励装置的压电元件4经受用于确定流体介质的密度的宽带激励。接收基本上包括管区段6、6a、7、7a和弯曲点8、8a以及连接它们的连接管线9的振荡结构的基本频率、即最低共振频率，并且检测由用流体介质填充振荡结构引起的频移。未填充的振荡结构的共振频率或填充有已知密度的介质(例如水)的振荡结构的共振频率用作参考度量。所述和所示的用于确定流体介质密度的密度测量装置中的用于确定流体介质密度的频率在1kHz附近。
图4示出夹持到保持器18中的中空体1的透视图。保持器18作为一种轭包围空心体1的夹紧元件2并且固定至电路板19。该电路板19配备有用于激励激励装置的压电元件的电子器件和用于接收由传感器装置的压电元件捕捉的信号的电子器件。电路板19还可以配备有存储元件，其中存储表征用于确定流体介质的密度的密度测量装置的参数、特别是校准数据。
箭头勾勒出用于以待检查的流体介质填充中空体并将其排空的连接结构。当然，夹持元件2的两个流体端口20的“入口”和“出口”功能可以颠倒。同样地，流体介质的密度可以在中空体1的流通模式中确定。在这种情况下，重要的是防止气泡。
图4还示出压电元件4的电极11、12以及电连接。通向压电元件4的供电线13、14通过电路板19的间隙15导通并且在接触点21处接触。图4部分地显示出压电元件4a类似地接触。
图5示出压电元件4、4a的布设图。激励装置的电信号被施加到放大器装置的输入侧。此处，压电元件4与激励装置关联，压电元件4a与传感器装置关联。
前置放大单元22将取自压电元件4a的信号放大。该信号表征振荡中空体1的共振频率相对于参考度量的共振频率的偏移，参考度量即空的中空体或填充有已知密度的流体介质的空心体1的度量，所述偏移由位于中空体1中的流体介质引起。
滤波器装置25滤除不需要的信号部分。所述不需要的信号部分是与所选的用于测量流体介质密度的中空体1的自然振荡不一致的信号部分，并且例如可以包含谐波或串扰信号。
限制器电路24负责具有足够振幅的稳定信号。输出级23将振幅调节为适应激励装置的压电元件的需要并产生所需的相位条件。
参考优选实施例示出并描述了本发明。本文未明确提及的本发明的其他实施例和进一步发展也旨在包括在保护范围内。
参考标记列表
1 密度测量装置的中空体
3,3a 接触区域
4,4a 压电元件
5,5a 夹持管
6,6a 管区段
7,7a 管区段
8,8a 弯曲点
9 U形连接管线
10 稳定元件
11 压电元件上的电极
12 压电元件上的电极
13 供电线
18 中空体的保持器
19 电路板
22 前置放大单元
23 输出级或激励放大器
24 限制器电路
A,A′管区段6、6a的中心纵轴线
B,B′ 管区段7、7a的中心纵轴线
S 对称平面

Claims (15)

1.一种用于测量流体介质的密度的密度测量装置，所述密度测量装置包括：用于收纳待检查的流体介质的中空体(1)，其中，所述中空体(1)包括至少两个平行的管区段，每个管区段具有中心纵轴线，以及位于所述至少两个平行的管区段的第一端上的连接管线(9)，所述连接管线将所述至少两个平行的管区段连接为U形，所述中空体在至少两个平行的管区段的第二端上配备有夹持元件(2)，所述夹持元件包括至少两个夹持管，所述至少两个平行的管区段终止于所述夹持管，其中，设有激励装置和传感器装置，所述激励装置包括用于激励所述至少两个平行的管区段的振荡的压电元件(4)，并且所述传感器装置包括用于检测表征被激励的振荡的变量的压电元件(4a)，其中，激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)分别在与所述至少两个平行的管区段的中心纵轴线所形成的平面平行的平面中分别附接至夹持元件(2)的接触区域，其中，夹持元件(2)的接触区域设置在夹持元件(2)的相对于所述至少两个管区段的近端上，每个接触区域都延伸跨越至少两个夹持管，所述激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)中的每一个同样都在压电元件的最长边的方向上延伸跨越至少两个夹持管。
2.根据权利要求1所述的密度测量装置，其特征在于，夹持元件(2)的接触区域设计为相应的至少两个夹持管的周向表面的彼此平行设置的平坦区段。
3.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，夹持元件(2)的至少两个夹持管在夹持管的相对于所述至少两个管区段的远端上融合，并且在夹持管的相对于所述至少两个管区段的近端上通过间隙(15)分开。
4.根据权利要求3所述的密度测量装置，其特征在于，夹持元件(2)的接触区域的平行于至少两个夹持管的中心纵轴线的尺度至多对应于间隙(15)的长度。
5.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，所述至少两个夹持管包括两个锥形的锥状玻璃管，并朝向管区段减小它们的壁厚和外径，所述玻璃管在它们的近端与所述管区段融接。
6.根据权利要求5所述的密度测量装置，其特征在于，至少两个夹持管的壁厚是至少两个管区段的壁厚的至少六倍。
7.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，夹持元件(2)的至少两个夹持管在夹持管的相对于所述至少两个管区段的远端上包括用于供给和排放流体介质的流体端口(20)。
8.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，中空体(1)设计为具有四个平行的管区段的折叠振荡器，其中，由U形连接管线(9)连接的两个管区段各自设置在与夹持管的中心纵轴线以及另两个管区段的中心纵轴线所形成的平面平行的平面中，其中，所述U形连接管线(9)面向夹持元件(2)的近端。
9.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，U形连接管线(9)由所述至少两个平行的管区段的第一端上的稳定元件(10)加强。
10.根据权利要求9所述的密度测量装置，其特征在于，稳定元件(10)设计为十字型加强件。
11.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，保持器(18)能够在夹持元件(2)的远端附近抓持所述夹持元件，所述保持器(18)连接至电路板(19)，所述电路板配备有用于激励所述激励装置的压电元件()的电子器件和用于接收由传感器装置的压电元件(4a)检测的信号的电子器件。
12.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，激励装置和传感器装置的压电元件是由压电陶瓷制成的元件。
13.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)包括相应的压电元件的呈结构化金属涂层形式的电极。
14.根据权利要求13所述的密度测量装置，其特征在于，第一供电线(13)利用激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的第一电极(11)附接到激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的背离夹持元件(2)的接触区域的表面，第二供电线(14)也利用激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的第二电极(12)附接到激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的背离夹持元件(2)的接触区域的表面，其中，第二电极(12)经由激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的端面通过外围接触导电地连接到位于所述激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的面对接触区域的表面上的金属涂层。
15.根据权利要求1或2所述的密度测量装置，其特征在于，借助于焊接或借助于导电粘接或借助于弹性接触进行激励装置的压电元件(4)和传感器装置的压电元件(4a)的电接触。
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