DE102006018560B3

DE102006018560B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte von Fluiden

Info

Publication number: DE102006018560B3
Application number: DE200610018560
Authority: DE
Inventors: Jochen K. Dr. Lehmann; Christiane Wertz; Johannes de Boor
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-04-22

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Fluids mit einer Messkammer, die gasdicht abschließbar ist, und mit einem Auftriebskörper, der in der Messkammer angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Fluids. Die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine verbesserte Genauigkeit aufweisen, wird dadurch gelöst, dass ein Federelement in der Messkammer aufgehängt ist, dass der Auftriebskörper an dem Federelement angebracht ist, dass eine Laserlichtquelle vorgesehen ist, deren Emissionsrichtung auf den Auftriebskörper ausgerichtet ist, und dass eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des Federelements vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, eine Wegstreckenänderung von Laserlicht zu bestimmen, das aus der Laserlichtquelle auf den Auftriebskörper fällt und von dort zu der Messeinrichtung reflektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Fluids mit einer Messkammer, die gasdicht abschließbar ist, und mit einem Auftriebskörper, der in der Messkammer angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Fluids.
Unter den Begriff "Fluid" soll im Folgenden sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit verstanden werden, da die nachfolgend beschriebene Erfindung sowohl auf Gase als auch auf Flüssigkeiten angewandt werden kann.
Bei der Verwendung von Fluiden in industriellen Prozessen spielen deren Stoffeigenschaften häufig eine wichtige Rolle. Beispielsweise ist zur Konstruktion von chemischen Anlagen eine genaue Kenntnis der absoluten Werte von Druck und Dichte sowie des Zusammenhangs dazwischen notwendig, um beispielsweise Reaktionsgefäße richtig zu dimensionieren. Bei Gasversorgungssystemen sind ebenfalls exakte Daten hinsichtlich der Dichte erforderlich, um den Durchsatz durch die Transportleitungen und die an die Kunden abgegebenen Mengen genau berechnen zu können. Dazu sind zwar die grundlegenden Zustandsgleichungen zur Berechnung der Eigenschaften bekannt, reichen jedoch oftmals nicht aus, da diese Gleichungen Näherungen beinhalten und oft weitaus genauere Daten benötigt werden.
Daher sind auf der Basis von zwischenmolekularen Wechselwirkungen genauere Modelle entwickelt worden. Bei der Überprüfung der Modelle stößt die heutige Messtechnik häufig an ihre Grenzen. Die Auflösung bekannter Verfahren zur Messung der Dichte liegt in einer Größenordnung von 10 μg pro Volumen des verwendeten Auftriebskörpers. Diese Genauigkeit reicht jedoch zur Überprüfung nicht aus.

In dem Fachzeitschriftenartikel "Densimeters for very accurate density measurements of fluids over large ranges of temperature, pressure and density" von W. Wagner und R. Kleinrahm erschienen in Metrologia 41 (2004), Seiten 24–29, sind eine Reihe von Verfahren zur Bestimmung der Dichte ein Fluides offenbart. Die bekannten Verfahren lassen sich in drei Gruppen gliedern. Danach erfolgt die Messung der Dichte entweder über eine Auftriebsmessung, über die Eigenfrequenz schwingender Körper oder indirekt durch Bestimmung der Dichte aus dem Brechungsindex.

Die Auftriebsmessung erfolgt nach dem bereits seit dem Altertum bekannten Archimedischen Prinzip. Ein Auftriebskörper der Masse m wird sowohl im Vakuum oder einem Referenzfluid als auch in dem Fluid, dessen Dichte bestimmt werden soll, gewogen. Aus der Differenz Δm der beiden Messungen folgt bei Kenntnis des Volumens V des Auftriebskörpers nach Δρ = Δm/V die Differenz Δρ der Dichte von Fluid und Referenz.

Der bereits zitierte Artikel nennt bei der Auftriebsmessung drei verschiedene Verfahren, um den Körper zu wiegen: Die direkte Wägung, die elektromagnetische Kompensation und das Wiegen mittels einer mehrarmigen Gasdichtewaage. Die größte Genauigkeit weist zur Zeit die direkte Wägung auf, bei der der Auftriebskörper, der sich in dem Fluid befindet, über eine Magnetschwebekupplung mit der Waage verbunden ist (Magnetschwebewaage).

Bei der Magnetschwebewaage hängt in einer mit einem Fluid gefüllten Kammer ein Auftriebskörper (Sinker) an einem Draht. Da die Waage sich außerhalb der Kammer befindet, besteht die Gefahr, dass insbesondere bei hohem Druck Gas über die Durchführung des Drahtes zur Waage entweichen könnte. Um dies zu verhindern, ist zwischen Draht und Waage statt einer mechanischen Durchführung eine Magnetkupplung angeordnet. Diese koppelt die Aufhängung des Auftriebskörpers in der Messkammer mit der Waage über ein magnetisches Feld, das mittels komplexer Regelungstechnik eingestellt werden muss. Erste Magnetschwebewaagen mit zwei Sinkern wurden bereits Anfang der achtziger Jahre entwickelt und werden seit dem auch kommerziell angeboten. Heute sind Magnetschwebewaagen mit nur noch einem Sinker bekannt, die eine hochkomplexe Regelungstechnik aufweisen.

Die Messgenauigkeit wird ferner auch durch die Waage beeinflusst. So muss, um die Linearität der Waage zu erhalten, diese gegen thermische Störungen isoliert sein und durch Ausgleichsgewichte dafür gesorgt werden, dass Eichung und Messung bei gleicher Belastung der Waage vorgenommen werden.

Den größten Einfluss auf die Genauigkeit der Magnetschwebewaage hat aber die Magnetkupplung selbst. Um eine perfekte Übertragung der Gewichtskraft des Auftriebskörpers an die Waage zu erreichen, darf kein zusätzliches magnetische Material in der Nähe der Kupplung sein. Dies wird dadurch versucht zu verwirklichen, dass man sowohl die Kammer als auch das Gehäuse der Magneten aus nicht-magnetischen Stoffen herstellt. Allerdings reichen bereits geringe Verunreinigungen in den verwendeten Materialien aus, um Störungen zu erzeugen. Eine weitere Fehlerquelle ist dabei das Probefluid selbst. Fluide sind in der Regel schwach diamagnetisch und in einigen wenigen Fällen sogar stark paramagnetisch. Insbesondere für diese paramagnetischen Fluide sind Magnetschwebewaagen ungeeignet. Aufgrund der aufwendigen Technik nehmen Magnetschwebewaagen außerdem viel Raum ein.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dichte von Fluiden bereitzustellen, die eine verbesserte Genauigkeit aufweisen.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Federelement in der Messkammer aufgehängt ist, dass der Auftriebskörper an dem Federelement angebracht ist, dass eine Laserlichtquelle vorgesehen ist, deren Emissionsrichtung auf den Auftriebskörper ausgerichtet ist, und dass eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des Federelements vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, eine Wegstreckenänderung von Laserlicht zu bestimmen, das aus der Laserlichtquelle auf den Auftriebskörper fällt und von dort zu der Messeinrichtung reflektiert wird.

Da die Auslenkung des Federelements aus der Messung der Wegstreckenänderung des Laserlichts bestimmt wird, ist zum Wiegen des Auftriebskörpers keine mechanische Kopplung zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Messkammer erforderlich, die die Genauigkeit der Messung einschränken könnte. Die direkte Messung der Auslenkung des Federelements, die durch die Gewichtskraft des Auftriebskörpers in dem Fluid hervorgerufen wird, ist aufgrund der Genauigkeit der Messung der Wegstreckenänderung des Laserlichts sehr exakt und lässt somit eine äußerst genaue Bestimmung der Dichte des Fluids zu.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Messeinrichtung ausgestaltet sein, die Laufzeit von Laserlicht aus der Laserlichtquelle zu bestimmen, das an dem Auftriebskörper reflektiert wird.

Die Messeinrichtung kann auch ausgestaltet sein, eine Phasenverschiebung zwischen Laserlicht, das an dem Auftriebskörper reflektiert wird, und einem Referenzstrahl aus der Laserlichtquelle zu bestimmen. Die Messeinrichtung ist dabei besonders bevorzugt als Laser-Interferometer ausgeführt. Damit kann die Auslenkung des Federelements bis auf wenige Nanometer genau bestimmt werden, sodass das Gewicht des Auftriebskörpers und damit die Dichte des Gases extrem genau gemessen werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Laserlichtquelle außerhalb der Messkammer angeordnet, die ein Fenster aufweist, durch das Laserlicht aus der Laserlichtquelle in die Kammer eingestrahlt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass keine Leitungen durch die Wandung der Messkammer hindurch ins Innere der Kammer geführt werden müssen, um dort eine Laserlichtquelle zu betreiben. Die für die Leitungen notwendigen Durchführungen in der Wandung würden sonst die Druckfestigkeit der Messkammer gefährden. Zudem ist die Ausführung der Laserlichtquelle mit einer hohen mechanischen und chemischen Beständigkeit, welche im Innern der Kammer notwendig ist, dann nur äußerst schwierig zu realisieren. Weiterhin ist es notwendig, das Fluid von der Umgebung thermisch weitgehend zu entkoppeln, damit in der Messkammer eindeutig definierte, konstante Bedingungen herrschen. Eine Lichtquelle innerhalb der Messkammer könnte das Fluid jedoch unnötig erwärmen.

Weiterhin ist es konstruktiv vorteilhaft, wenn die Emissionsrichtung der Laserlichtquelle in Richtung der Auslenkung des Federelements verläuft. Damit kann die Auslenkung des Federelements aus der Wegstreckenänderung des Laserlichts bestimmt werden, ohne dass es erforderlich wäre, die gemessene Wegstreckenänderung des Laserlichts noch geometrisch zu korrigieren.

Das eingestrahlte Laserlicht wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform von einem an dem Auftriebskörper angebrachten Reflektor reflektiert. Dies erlaubt es, eine definierte Reflexionsrichtung der Laserlichts festzulegen. Zudem ist es möglich, die Laserlichtquelle mit geringer Laserleistung zu betreiben, da im Voraus feststeht, welcher Anteil der von der Laserlichtquelle erzeugten Leistung an der Messein richtung empfangen wird. Es ist daher möglich, wenig Laserlicht in die Kammer einzustrahlen, sodass die durch das Laserlicht in das Fluid eingestrahlte Leistung gering ausfällt.

Der Reflektor ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform als Retroreflektor ausgebildet. Ein Retroreflektor ist ein Reflektor mit zwei Spiegeln, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, bei dem der ausfallende Strahl immer parallel zum Einfallenden verläuft. Dadurch wird sichergestellt, dass das einfallende Laserlicht auch dann in Richtung der Messeinrichtung reflektiert wird, wenn der Reflektor nicht exakt in Bezug auf die Laserlichtquelle und die Messeinrichtung ausgerichtet sein sollte.

Vorzugsweise werden als Federelemente eine Schraubenfeder oder eine Spiralfeder verwendet. Die Federkonstante dieser Federelemente ist über große Bereiche der Auslenkung konstant. Mithin kann die auf den Auftriebskörper wirkende Gewichtskraft sehr genau bestimmt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die verwendete Schrauben- oder Spiralfeder bifilar ausgebildet. Eine bifilare Schrauben- oder Spiralfeder umfasst statt einem zwei Stränge, die mit entgegengesetztem Drehsinn verlaufen. Dadurch verdrillt sich die Feder bei ihrer Auslenkung nicht, sodass sich der Auftriebskörper bei Auslenkung der Feder nicht dreht und das Laserlicht immer in die gleiche Richtung reflektiert wird. Als Alternative zu der Schrauben- oder Spiralfeder kann als Federelement auch eine Blattfeder verwendet werden, die ebenfalls mit dem Vorteil verbunden ist, dass es bei der Auslenkung nicht zu einem Drehen des Auftriebskörpers kommt.

Vorzugsweise ist die Messkammer zylindrisch geformt. Dadurch kann die Vorrichtung so ausgeführt werden, dass sie besonders druckfest ist und trotzdem wenig Raum einnimmt. Der Auftriebs körper wird ebenfalls vorzugsweise zylindrisch ausgeformt. Damit kann auch bei Verwendung einer schmalen, zylindrischen Messkammer ein großes Auftriebsvolumen erreicht werden.

Alternativ kann der Auftriebskörpers auch kugelförmig sein. Eine Kugel hat das kleinste Verhältnis von Volumen zu Oberfläche, sodass trotz eines großen Volumens nur eine kleine Fläche vorhanden ist, auf der das Fluid absorbiert werden könnte. Eine Absorption ist deswegen unerwünscht, weil dies die Messergebnisse verfälscht.

Vorzugsweise umfasst die Messkammer ein Mantelgefäß und ein Innengefäß aus Glas. Glas weist eine hohe chemische Beständigkeit auf, sodass bei hoher Druck- und Temperaturbeständigkeit eine lange Lebensdauer der Kammer gegeben ist. Weiter bevorzugt wird auch das Federelement aus Glas gefertigt. Ein Federelement aus Glas arbeitet bei hoher Empfindlichkeit über einen großen Temperatur- und Druckbereich stabil. Besonders vorteilhaft ist es, sowohl das Innenrohr als auch das Federelement aus Quarzglas zu fertigen. In diesem Fall weisen beide die gleiche thermische Ausdehnung auf und die Längenänderungen, die bei Temperaturänderungen auftreten, kompensieren sich bei geeigneter Geometrie weitgehend gegenseitig. Aus den eben genannten Gründen ist es zudem vorteilhaft, auch den Auftriebskörper aus Glas zu fertigen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Messkammer noch mit einer oder mehreren anderen Messkammer verbunden, um weitere Eigenschaften des Fluides messen zu können. Dadurch wird es ermöglicht, bei gleichen Druck- und Temperaturverhältnissen mehrere Eigenschaften des Fluides parallel zu bestimmen.

Vorzugsweise ist in der Messkammer ein Spiegel zur Kalibrierung der Vorrichtung vorgesehen. Dabei sind die Laserlicht quelle und die Messeinrichtung derart ausrichtbar, dass von der Laserlichtquelle emittiertes Laserlicht von dem Spiegel zur Messeinrichtung reflektiert wird. Über den Spiegel kann die Vorrichtung kalibriert werden.

Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe außerdem durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Auslenkung eines Federelements, das in einer gasdicht abschließbaren Messkammer befestigt ist und an dem ein Auftriebskörper angebracht ist, bestimmt wird, wobei die Messkammer evakuiert oder mit einem Referenzfluid gefüllt wird, wobei die Messkammer mit dem Fluid gefüllt wird, wobei der Unterschied der Auslenkung des Federelements bei evakuierter oder mit dem Referenzfluid gefüllter Messkammer und der Auslenkung bei mit dem Fluid gefüllter Messkammer bestimmt wird, wobei der Unterschied der Auslenkungen durch eine Wegstreckenänderung von Laserlicht bestimmt wird, das auf den Auftriebskörper fällt und von dort reflektiert wird, und wobei die Dichte des Fluids aus dem Unterschied der Auslenkungen berechnet wird.

Da die Auslenkung des Federelements direkt über die Wegstrekkenänderung von Laserlicht gemessen wird, ohne dass eine mechanische Kopplung zwischen dem Inneren der Messkammer und dem Äußeren erforderlich ist, und da die Entfernungsmessung mit Hilfe des Laserlichts sehr exakt durchgeführt werden kann, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Präzision bei der Bestimmung der Dichte des Fluids. Im Übrigen treffen die schon im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannten Vorteile auch auf das Verfahren zu.

Die Wegstreckenänderung kann bevorzugter Weise durch Messung der Phasenverschiebung oder durch eine Laufzeitmessung erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Messung der Wegstreckenänderung mit einem Laser-Interferometer. Dies ergibt eine besonders große Präzision bei der Bestimmung der Auslenkung.

Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn das Laserlicht außerhalb der Messkammer erzeugt wird und durch ein Fenster in die Messkammer eingestrahlt wird, wobei dies damit verbunden ist, dass der Wärmeeintrag in die Messkammer so gering wie möglich ausfällt.

Die Einstrahlung des Laserlichts erfolgt vorzugsweise in Richtung der Auslenkung des Federelements, sodass geometrische Korrekturen bei Bestimmung der Auslenkung entfallen.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
1. ein. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluids und
2 eine schematische Darstellung des Messprinzips.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist eine gasdicht abschließbare Messkammer 2 auf, die doppelwandig ausgeführt sein kann, wobei sie ein Mantelgefäß aus Metall und ein Innengefäß aus Glas und insbesondere Quarzglas umfassen kann. Der Boden der Messkammer 2 ist durch ein Fenster 3 verschlossen.
In der Messkammer 2 ist ein als Schraubenfeder 4 ausgebildetes Federelement vorgesehen, wobei die Schraubenfeder 4 an einer Aufhängevorrichtung 5 befestigt ist. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schraubenfeder 4 bifilar ausgebildet. In diesem Fall umfasst die Schraubenfeder 4 statt einem zwei Stränge, die mit entgegengesetztem Drehsinn verlaufen. Dadurch verdrillt sich die Schraubenfeder 4 bei deren Auslen kung nicht. Anstelle der Schraubenfeder 4 kann auch eine Spiralfeder oder eine Blattfeder verwendet werden, wobei die Spiralfeder ebenfalls bifilar ausgeführt sein kann. Außerdem kann das Federelement aus Glas hergestellt sein.
Am unteren, freien Ende der Schraubenfeder 4 ist ein Auftriebskörper 6 angebracht. Dieser ist im Ausführungsbeispiel kugelförmig, kann aber alternativ beispielsweise auch zylindrisch geformt sein. Eine Kugel hat das kleinste Verhältnis von Volumen zu Oberfläche, sodass trotz eines großen Volumens nur eine kleine Oberfläche vorhanden ist, auf der das Fluid absorbiert werden könnte. Damit ist in diesem Fall die Gefahr von Verschmutzungen in der Messkammer 2 reduziert. Als Material für den Auftriebskörper 6 kann Quarzglas verwendet werden, was mit dem Vorteil verbunden ist, dass Glas eine hohe chemische Beständigkeit aufweist.
Außerhalb der Messkammer 2 ist ein Laser-Interferometer 7 angeordnet, das eine Laserlichtquelle aufweist, wobei das Messprinzip mittels des Laser-Interferometers 7 in 2 näher dargestellt ist. Das Laser-Interferometer 7 ist so ausgerichtet, dass Laserlicht aus der Laserlichtquelle durch das Fenster 3 in die Messkammer 2 und auf den Auftriebskörper 6 gestrahlt wird und die Emissionsrichtung des Laserlichts in der Richtung verläuft, in der der Auftriebskörper 6 an der Schraubenfeder 4 ausgelenkt wird. Der Abstand des Laser-Interferometers 7 zum Fenster 3 ist zum einen so gewählt, dass die Laserlichtquelle die Messkammer 2 nicht zu stark thermisch beeinflusst. Zum anderen ist der Abstand aber so klein, dass die Strecke, die der Laserstrahl außerhalb der Messkammer 2 zurücklegt, keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung der Wegstreckenänderung nimmt.
Das Laser-Interferometer 7 ist zur Bestimmung der Auslenkung der Schraubenfeder 4 vorgesehen und ausgestaltet, eine Weg streckenänderung von Laserlicht zu bestimmen, das aus der Laserlichtquelle auf den Auftriebskörper 6 fällt und von dort zurück zu der als Laser-Interferometer 7 ausgestalteten Messeinrichtung reflektiert wird, wobei im vorliegenden Fall die Phasenverschiebung von aus der Laserlichtquelle stammendem Laserlicht, das an dem Auftriebskörper 6 reflektiert worden ist, gegenüber direkt aus der Laserlichtquelle stammendem Licht bestimmt wird. Das Laser-Interferometer 7 und damit die Laserlichtquelle 7 sind ferner so angebracht, dass sie zusammen in einer Ebene verschiebbar sind (Pfeil 9), die parallel zu der des Fensters 3 verläuft.
An dem Auftriebskörper 6 ist ein Retroreflektor 10 befestigt, der zwei Spiegel aufweist, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, sodass der ausfallende Strahl immer parallel zum Einfallenden verläuft. Der Retroreflektor 10 ist so befestigt, dass einfallendes Laserlicht 11 aus der Laserlichtquelle des Laser-Interferometers 7 auf den Retroreflektor 10 trifft und so reflektiert wird, dass das reflektierte Laserlicht 12 auf das Laser-Interferometer 7 zurück fällt.
In der Messkammer 2 ist des Weiteren ein Spiegel 13 in festem Abstand zum Fenster 3 angebracht, der ebenfalls als Retroreflektor ausgeführt sein kann. Das Laser-Interferometer 7 und damit die Laserlichtquelle können verschoben werden (Pfeil 9) und damit so ausgerichtet werden, dass das von der Laserlichtquelle emittierte einfallende Laserlicht auf den Spiegel 13 fällt und von diesem so reflektiert wird, dass das reflektierte Laserlicht auf das Laser-Interferometer 7 fällt.
Des Weiteren sind eine Steuerung 14 und ein Kontrollrechner 15 vorgesehen. An der Messkammer 2 ist zudem ein Manometer 16 angeschlossen, sowie ein Vorratsbehälter 17 für ein Fluid. Zudem ist ein Anschluss 18 vorgesehen, der mit einem Absperrventil 19 verschlossen werden kann. Ferner ist eine weitere Zusatz messkammer 20 vorhanden, die mit der Messkammer 2 so verbunden ist, dass in beiden Messkammer 2, 20 die gleichen Bedingungen herrschen.
Die Bestimmung der Dichte eines Fluids mit Hilfe der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 und dem Laser-Interferometer 7 basiert auf den folgenden Zusammenhängen.
Bekanntermaßen ergibt sich die Dichte ρ durch ρ = m/V, wobei m die Masse und V das Volumen ist. Der Auftrieb, den ein Körper in einem Fluid erfährt, entspricht nach dem Archimedischen Prinzip dem Gewicht des verdrängten Fluids. Wiegt man einen Körper im Vakuum und in einem Fluid, dessen Dichte bestimmt werden soll, so kann man aus der Differenz der beiden Messergebnisse auf das Gewicht des verdrängten Fluids schließen. Ist zudem das Volumen des Körpers bekannt, so lässt sich nach der obigen Formel die Dichte des Fluids berechnen.
Die Wägung des Auftriebskörpers erfolgt in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 über die Schraubenfeder 4 und den daran angebrachten Auftriebskörper 6. Die Auslenkung einer Feder ist nach dem Hook'schen Gesetz proportional zu der Kraft, die auf sie einwirkt. Somit ist die Auslenkung der Schraubenfeder 4 proportional zu der Gewichtskraft des an ihrem freien Ende aufgehängten Auftriebskörpers 6. Misst man die Auslenkung der Schraubenfeder 4 und des Auftriebskörpers 6 im Vakuum und in einem Fluid, so kann folglich aus der Änderung der Auslenkung auf den Auftrieb durch das Fluid und damit auf dessen Dichte geschlossen werden. Dabei ergibt sich die folgende Beziehung
wobei k die Federkonstante, die den linearen Zusammenhang zwischen Gewichtskraft und Auslenkung wiedergibt, Δs_x die Differenz der Auslenkungen und V das Volumen des Probekörpers ist.
Die Differenz der Auslenkungen Δs_x lässt sich aus den mit dem Laser-Interferometer 7 erfassten Phasenverschiebungen bestimme, die zwischen Laserlicht, das an dem Auftriebskörper 6 reflektiert worden ist, und Licht direkt aus der Laserlichtquelle auftreten.
In 2 ist das Messprinzip mit Hilfe des Laser-Interferometers 7 schematisch erläutert. Das Laser-Interferometer 7 weist eine Laserlichtquelle (nicht dargestellt) auf, und es sind zwei Reflektoren vorhanden, wovon ein erster Reflektor (nicht dargestellt) fest in dem Interferometer 7 angebracht ist und der zweite Reflektor 10 an dem Auftriebskörper 6 befestigt ist. Ein von der Laserlichtquelle emittierter Laserstrahl 11 wird an beiden Reflektoren reflektiert, und die reflektierten Strahlen werden zur Interferenz gebracht.
Die Änderung der Wegstrecke Δy des Lichts aus der Laserlichtquelle, die sich ergibt, wenn der Reflektor 10 an dem Auftriebskörper 6 verschoben wird, ergibt sich gemäß der Gleichung
Dabei ist n der Brechungsindex und Δz die Anzahl der den Sensor passierenden Interferenzmaxima, die aus der Verschiebung Δy des Reflektors 10 resultiert.
Bei der Bestimmung der Dichte eines Fluids wird die Veränderung der Auslenkung des Auftriebskörpers 6 Δs_x in der Messkam mer 2 durch das Laser-Interferometer 7 erfasst, die sich ergibt, wenn die zunächst evakuierte Messkammer 2 mit dem Fluid gefüllt worden ist. Für Δs_x ergibt sich
wobei λ_vak die Wellenlänge des Lichts der Laserlichtquelle im Vakuum ist, n der Brechungsindex und z_x und z_vak die jeweiligen absoluten Verschiebungen der Interferenzmaxima bezogen auf den Fall, dass die Reflektoren den gleichen Abstand haben bzw. zusammenfallen. Beim vorliegenden Aufbau durchläuft das Licht der Laserlichtquelle jedoch Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex. Dies sind die Umgebung zwischen Laser-Interferometer 7 und Fenster 3, das Fenster 3, das Fluid bzw. das Vakuum in der Messkammer 2 und der Reflektor 10. Damit nimmt Gleichung (3) für die jeweiligen absoluten Verschiebungen z_x und z_vak die folgende Form an:
Wenn die Differenz zwischen diesen Gleichungen gebildet wird, ergibt sich
so dass eine einfache Auswertung des Signals des Laser-Interferometers 7 als Veränderung der Position des Auftriebskörpers 6 Δs Folgendes ausgibt:
Die sich direkt aus der Verschiebung der Interferenzmaxima berechnete Veränderung Δs ist jedoch nicht die tatsächliche Positionsänderung Δs_x des Auftriebskörpers 6. Diese ist mit der Wegstrecke in der Messkammer 2 unter Vakuum s_vak und der Wegstrecke in der mit Fluid gefüllten Messkammer 2 s_x über die Beziehung Sx = Δsx + Svak (8)verknüpft. Wenn Gleichung (8) in Gleichung (7) eingesetzt wird, ergibt sich für den Zusammenhang zwischen dem durch das Interferometer 7 ausgegebenen Wert Δs und der tatsächlich gesuchten Positionsänderung Δs_x
Daher ist es erforderlich, zum einen die Ausgangstrecke unter Vakuum s_vak und zum anderen den Brechungsindex n_x des Fluids zu kennen.
Um die Ausgangsstrecke s_vak zu bestimmen, wird eine Kalibriermessung durchgeführt, wobei die Messkammer 2 in einem ersten Schritt unter Vakuum ist und in einem zweiten Schritt mit einem Fluid mit bekannter Dichte gefüllt ist, sodass aus den zwei Messungen s_vak bestimmt werden kann.
Um den Brechungsindex zu bestimmen, ist es erforderlich, Messungen bei fester Wegstrecke in der Messkammer 2 durchzuführen. Dies kann einerseits in der Weise realisiert werden, dass das Laser-Interferometer 7 entsprechend Pfeil 9 derart verfahren wird, dass das Licht auf den Spiegel 13 fällt. Anderer seits ist es auch denkbar, dass der Auftriebskörper 6 mit dem Retroreflektor 10 in der Messkammer 2 fixiert wird.
Im Falle einer konstanten Wegstrecke s in der Messkammer 2 ergeben sich für die absoluten Verschiebungen unter Vakuum zsvak und bei mit Fluid gefüllter Messkammer 2 zsx die folgenden Beziehungen:
Die Differenz beider Gleichungen liefert
so dass sich für den gesuchten Brechungsindex n_x des Fluids die Beziehung
ergibt. Um die feste Wegstrecke s zu bestimmen, ist wiederum eine Kalibrierungsmessung mit einem Fluid mit bekannter Dichte n_y erforderlich, so dass sich für s
folgt.
Die Messung der Dichte eines Fluids kann mit der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Weise durchgeführt werden, dass das Laser-Interferometer 7 auf den Auftriebskörper 6 und damit den Retroreflektor 10 gerichtet ist, wobei die Messkammer 2 zunächst evakuiert ist. Anschließend wird die Messkammer 2 mit dem Fluid gefüllt, so dass die Bestimmung der Verschiebung der Interferenzmaxima (z_x– z_vak) und damit die Bestimmung der Wegstreckenänderung des Laserlichts mittels des Laser-Interferometers 7 erfolgen kann.
Daraufhin wird der Laser-Interferometer 7 gemäß Pfeil 9 so verfahren, dass es zu dem Spiegel 13 ausgerichtet ist. Anschließend wird die Messkammer 2 wieder evakuiert, so dass die Verschiebung der Interferenzmaxima (zsx – zsvak ) bestimmt werden kann.
Unter der Voraussetzung, dass sowohl s als auch s_vak als Apparatekonstanten bekannt sind, kann mit den bestimmten Verschiebungen über die Gleichung (13) der Brechungsindex n_x und anschließend über die Gleichungen (7) und (9) die Wegstreckenänderung Δs_x berechnet werden, aus der sich wiederum über Gleichung (1) die gesuchte Dichte ergibt.
Statt der Erfassung der Phasenverschiebung mit dem Laser-Interferometer 7 können auch die unterschiedlichen Laufzeiten des Laserlichts 11, 12 gemessen werden. Die Wegstrecken ergeben sich in diesem Fall aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Laserlichtes im Medium. Die Schritte zur Bestimmung der Wegstreckendifferenz, des Brechungsindex und der Ausgangsposition sind analog der oben angeführten Beschreibung auszuführen.
Alternativ kann die Messung des Brechungsindexes auch in der zweiten Zusatzmesskammer 20 vorgenommen werden. Zu diesem Zweck müsste in der Zusatzmesskammer 20 ebenfalls ein Spiegel angebracht werden. Auch die Totstrecke kann alternativ bei gleichem Aufbau der Messkammern 2 und der Zusatzmesskammer 20 in dieser gemessen werden. Es ist außerdem möglich, die Messung der Auslenkung des Auftriebskörpers 6 nicht bei Vakuum in der Messkammer 2 durchzuführen, sondern wenn die Messkammer 2 mit dem Referenzfluid gefüllt ist.
Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 eine Reihe von Vorteilen auf.
Aufgrund der hohen Auflösung des Laser-Interferometers 7, die im Bereich von einigen Nanometern liegt, und der Möglichkeit, das Signal über einen beliebig langen Zeitraum zu registrieren, ist theoretisch eine Messung der Dichte mit einer Auflösung von 0,01 μg möglich. Das entspricht einer Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber der Wägetechnik im Stand der Technik um den Faktor 1000. Ferner erfolgt diese Messung direkt und nicht über eine elektronisch zu regelnde Magnetschwebekupplung, was mögliche Fehlerquellen minimiert.
Der gesamte Aufbau ist aufgrund des geringen Durchmessers der Messkammer 2 erheblich einfacher, platzsparender und kostengünstiger zu realisieren, da der Durchmesser der Messkammer 2 lediglich durch den Mindestabstand zwischen einfallendem Laserlicht und reflektiertem Laserlicht bestimmt wird, der für die interferometrische Messung eingehalten werden muss. Weder die Temperaturregelung der Messkammer bedarf eines großen Aufwandes, noch wird die Regelungstechnik für eine Magnetschwebekupplung benötigt.
Auch die Möglichkeit, bei einem entsprechend druckfesten Mantelgefäß, das Innenrohr und auch alle anderen Bauteile die im Innern der Messkammer mit dem Fluid in Kontakt kommen, aus Glas fertigen zu können, weist große Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf, da Glas eine hohe chemische und thermische Beständigkeit aufweist.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Fluids mit einer Messkammer (2), die gasdicht abschließbar ist, und mit einem Auftriebskörper (6), der in der Messkammer (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (4) in der Messkammer (2) aufgehängt ist, dass der Auftriebskörper (6) an dem Federelement (4) angebracht ist, dass eine Laserlichtquelle vorgesehen ist, deren Emissionsrichtung auf den Auftriebskörper (6) ausgerichtet ist, und dass eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des Federelements (4) vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, eine Wegstreckenänderung von Laserlicht zu bestimmen, das aus der Laserlichtquelle auf den Auftriebskörper (6) fällt und von dort zu der Messeinrichtung (7) reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung (7) ausgestaltet ist, die Laufzeit von Laserlicht aus der Laserlichtquelle zu bestimmen, das an dem Auftriebskörper (6) reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung (7) ausgestaltet ist, eine Phasenverschiebung zwischen Laserlicht, das an dem Auftriebskörper (6) reflektiert wird, und einem Referenzstrahl aus der Laserlichtquelle zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Messeinrichtung als Laser-Interferometer (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Laserlichtquelle außerhalb der Messkammer (2) angeordnet ist und wobei die Messkammer (2) ein Fenster (3) zum Einstrahlen von Laserlicht aus der Laserlichtquelle aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Emissionsrichtung der Laserlichtquelle in der Richtung der Auslenkung des Federelements (4) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein am Auftriebskörper (6) befestigter Reflektor vorgesehen ist, der so angeordnet ist, dass Laserlicht aus der Laserlichtquelle auf den Reflektor auftreffen und von diesem reflektiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Reflektor als Retroreflektor (10) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Federelement als Schraubenfeder (4) oder Spiralfeder ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Schraubenfeder (4) oder Spiralfeder bifilar gewendelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Federelement (4) als Blattfeder ausbildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Messkammer (2) zylindrisch geformt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Auftriebskörper (6) eine zylindrische Form hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Auftriebskörper (6) kugelförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Messkammer (2) ein Mantelgefäß und ein Innengefäß aus Glas aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Federelement und/oder der Auftriebskörper (6) aus Glas gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine oder mehrere Zusatzmesskammern (20) zur Messung weiterer Eigenschaften eines Fluids vorgesehen sind und wobei die Zusatzmesskammern (20) mit der Messkammer (2) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei in der Messkammer (2) ein Spiegel (13) vorgesehen ist und wobei die Laserlichtquelle und die Messeinrichtung derart ausrichtbar sind, dass von der Laserlichtquelle emittiertes Laserlicht von dem Spiegel (13) zur Messeinrichtung reflektiert wird.
Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Fluides, bei dem die Auslenkung eines Federelements (4), das in einer gasdicht abschließbaren Messkammer (2) befestigt ist und an dem ein Auftriebskörper (6) angebracht ist, bestimmt wird, wobei die Messkammer (2) evakuiert oder mit einem Referenzfluid gefüllt wird, wobei die Messkammer (2) mit dem Fluid gefüllt wird, wobei der Unterschied der Auslenkung des Federelements (4) bei evakuierter oder mit dem Referenzfluid gefüllter Messkammer (2) und der Auslenkung bei mit dem Fluid gefüllter Messkammer (2) bestimmt wird, wobei der Unterschied der Auslenkungen durch eine Wegstreckenänderung von Laserlicht (11, 12) bestimmt wird, das auf den Auftriebskörper (6) fällt und von dort reflektiert wird, und wobei die Dichte des Fluids aus dem Unterschied der Auslenkungen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei zur Bestimmung des Unterschieds der Auslenkungen eine Phasenverschiebung zwischen Laserlicht, das an dem Auftriebskörper (6) reflektiert wird, und einem Referenzstrahl bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Bestimmung der Phasenverschiebung mittels eines Laser-Interferometers (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Unterschied der Auslenkung durch die Messung der Laufzeiten von Laserlicht bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei das Laserlicht außerhalb der Messkammer (2) erzeugt und durch ein Fenster (3) in die Messkammer (2) eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei das Laserlicht in Richtung der Auslenkung des Federelements (4) in die Messkammer (2) eingestrahlt wird.