DE1171646B - Vorrichtung zum Bestimmen physikalischer Stoffeigenschaften - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G Ol η

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 421-7/02

A 31002 IXb/421
22. Dezember 1958
4. Juni 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen physikalischer Stoffeigenschaften mit einem oder zwei in Schwingungen versetzbaren Meßfühlern, die mit dem zu untersuchenden Medium in Berührung gebracht werden können.

Es ist bereits bekannt, daß mechanische Schwingungen, zu denen ein Körper angeregt worden ist, sich ändern, wenn das flüssige oder gasförmige Medium, welches den Körper umgibt, sich ändert. Es sind deshalb verschiedene Vorrichtungen bekanntgeworden, mit denen nach diesem Grundprinzip die Dichte oder Viskosität des Mediums gemessen wird, welches den zu Schwingungen angeregten Körper umgibt. Zu diesem Zweck sind die bekannten Vorrichtungen so aufgebaut, daß der in das zu untersuchende Medium eintauchende Körper an einer Stange befestigt ist oder das Ende einer Stange bildet, deren anderes Ende von einem Schwingungsgeber erregt wird. Die vom Geber ausgehenden Schwingungen laufen durch die Stange zu dem Körper hin, wo sie dem Einfluß des umgebenden Mediums ausgesetzt sind. Von diesem Körper aus laufen dann die beeinflußten, abgewandelten Schwingungssignale bei den bekannten Vorrichtungen zumindest einen Teil des mechanischen Verbindungsweges zurück, auf dem sie zu dem Körper gelangt sind. Nach zumindest teilweiser zweifacher Benutzung des Verbindungsweges gelangen die abgewandelten Signale zu einem Empfänger, durch welchen das Ausmaß der Abänderung festgestellt werden kann, so daß es sich in Beziehung setzen läßt zu den physikalischen Konstanten des den Körper umgebenden Mediums. Bei diesen bekannten Vorrichtungen, bei denen Schwingungserreger und -empfänger vielfach elektromagnetisch arbeiten, überlagern sich daher stets während des Meßvorganges das ausgesandte und das empfangene Signal.

Es hat sich nun herausgestellt, daß bei den bekannten Vorrichtungen eine gewisse Ungenauigkeit und Unsicherheit schon allein durch diese Anordnung bedingt ist. Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem das durch die Messung abzuwandelnde Signal den Weg nur einsinnig durchläuft. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Meßfühler gleichzeitig mit den beiden freien Enden zweier biegsamer Elemente fest verbunden ist, die in einigem Abstand von dem Meßfühler von einem gemeinsamen Stützglied gehalten werden, wobei eines der biegsamen Elemente an seinem freien Ende eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungsenergie und das andere Element an Vorrichtung zum Bestimmen physikalischer
Stoffeigenschaften

Anmelder:

Automation Products, Inc., Houston, Tex.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,

Bremen 1, Feldstr. 24

Als Erfinder benannt:

William Burkhardt Banks, Houston, Tex.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Dezember 1957

(705 417)

seinem freien Ende eine Vorrichtung zum Empfang von Schwingungsenergie besitzt.

Gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zeichnet sich die vorliegende Meßvorrichtung durch eine besonders einfache, übersichtliche Anordnung aus, in welcher das abgesandte und das abgewandelte empfangene Meßsignal sich nicht mehr streckenweise überlagern. Damit ist auf einfache Weise eine Verbesserung der Meßgenauigkeit erreicht, wobei der bauliche Aufwand gegenüber bekannten Vorrichtungen nicht vergrößert worden ist.

Die neue Vorrichtung kann verwendet werden, um verschiedene Eigenschaften von Stoffen, beispielsweise die Dichte, das spezifische Gewicht, die Viskosität, die Niveauhöhe, zu messen. Sie kann weiter auch dazu benutzt werden, um die Pegelhöhe in Flüssigkeitsbehältern, Tanks und Leitungen, z. B. in Ölfernleitungen, anzuzeigen und zu regem. Gerade für den letztgenannten Zweck wurden bislang vielfach . Vorrichtungen verwendet, die mit einer Schwimmeranordnung arbeiten. Diese haben wie auch viele andere Pegelmeßeinrichtungen den Nachteil, daß ein beweglicher Teil durch die Wand des Flüssigkeitsbehälters geführt werden muß, so daß Membrandichtungen oder Stopfbüchsen verwendet werden müssen. Diese Dichtungen beeinflussen die

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Bewegungsmöglichkeiten des Schwimmers und damit auch die Meßgenauigkeit. Überdies sind Schwimmer störanfällig und druckempfindlich.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann nun vorzugsweise dadurch für die Bestimmung von physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten verwendet werden, daß der Meßfühler als Spatel und die beiden biegsamen Elemente, mit denen der Spatel verbunden ist, als schwingungsfähige Stangen ausgebildet sind. Dabei empfiehlt es sich, die schwingungsfähigen Stangen durch das Stützglied an ihren Schwingungsknoten abzustützen. Bei einer für Flüssigkeitsmessungen zu bevorzugenden Ausführungsform ist das Stützglied ein Teil des Gehäuses der Meß vorrichtung, aus welchem die schwingungsfähigen Stangen mit dem Spatel an ihrem äußeren Ende hervorragen, wobei das Stützglied für eine flüssigkeitsdichte Abdichtung sorgt. Durch die Anordnung der Abstützung bzw. Abdichtung im Schwingungsknoten der schwingungsfähigen Stäbe wird der eigentliche Meßvorgang in keiner Weise beeinflußt.

Zur Erzeugung der Schwingungen, zur Messung der Änderungen in der Schwingungsamplitude und der Frequenz dienen vorzugsweise elektromagnetische Einrichtungen.

Weitere Vorzüge und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Flüssigkeitsbehälters, bei dem das Meßgerät zum Messen des Flüssigkeitsstandes verwendet wird,

F i g. 2 eine Seitenansicht des Meßgerätes,

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie 3-3 der F i g. 2,

F i g. 4 eine teils im Schnitt gezeigte perspektivische Ansicht des Meßgerätes,

F i g. 5 eine schematische Ansicht der elektrischen Einrichtungen und

F i g. 6 ein Beispiel eines Meßdiagramms. In den F i g. 2, 3 und 4 ist das Meßgerät als Ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Gehäuse 12 des Geräts hat einen mittleren rohrförmigen Teil 14 in Form eines T und ferner rohrförmige Seitenteile 16 und 18, die vorzugsweise mit dem mittleren Teil 14 durch Gewinde verbunden sind.

Der mittlere rohrförmige Teil 14 ist vorzugsweise an seinen äußeren Enden mit Außengewinde 20 versehen, welches in eine mit Gewinde versehene öffnung eines Flüssigkeit enthaltenden Behälters eingeschraubt wird. Ferner weist der mittlere rohrförmige Teil 14 einen mit Innengewinde versehenen Ansatz 22 auf, an dem eine elektrische Anschlußleitung angeschlossen werden kann.

Die im folgenden als Schwingmotor bzw. Motor bezeichnete, die Schwingungen erzeugende Einrichtung ist in dem seitlichen Teil 16 des Gehäuses angeordnet. Eine zur Abstützung des Motors dienende, durch einen Zentrierstift 28 od. dgl. in Ausrichtung mit dem Gehäuse gehaltene Scheibe 24 wird durch den Endteil 16 in seiner Lage gehalten. Eine nichtmagnetische Hülse 32 liegt auf einer Schulter der Scheibe 24 auf und erstreckt sich in den Endteil 16. ⁶S An dem in den Endteil hineinragenden Teil der Hülse 32 ist eine elektromagnetische Wicklung 36 befestigt. Ein Magnetkern 40 liegt innerhalb der Wicklung 36 an dem Ende der Hülse 32. Die Wicklung 36 ist über Leitungen 42 und 44 mit einer Stromquelle verbunden, die, wie weiter unten beschrieben, Schwingungen in dem Motor erzeugt.

Das Detektor- oder Generatorelement ist im Inneren des anderen Endteils 18 angeordnet. Es wird durch eine durch einen Zentrierstift 30 in bezug auf den mittleren Gehäuseteil 14 ausgerichtete und durch den Endteil 18 festgehaltene Scheibe 26 mittels einer in dieser Scheibe angeordneten nichtmagnetischen Hülse 34 abgestützt. Es weist eine elektromagnetische Wicklung 38 auf, die vom Ende der Hülse 34 getragen wird. Ein am Ende der Hülse, innerhalb der Wicklung liegender permanenter Magnet 42 liefert das magnetische Feld für die Wicklung 38. Die Wicklung ist an elektrischen Leitungen 46 und 48 angeschlossen, welche die in der Wicklung erzeugte Spannung auf eine elektrische Anzeigeeinrichtung übertragen, beispielsweise auf das in F i g. 5 gezeigte Regelrelais 70, das in üblicher Weise Regelkontakte 71 und 72 betätigt. Es können natürlich auch andere Anzeige- und Regeleinrichtungen verwendet werden.

Die Schwingungen ausführenden Einrichtungen können beispielsweise aus einem Spatel oder Paddel SO bestehen, der mittels biegsamer Stangen 52 und 54 mit Armaturen 56 und 58 verbunden ist.

Wie am besten aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich ist, ist der Spatel 50 außerhalb des Gehäuses angeordnet, damit er in den Flüssigkeitsbehälter eingeführt werden kann, an dem das Meßgerät befestigt wird. Die biegsamen Schwingstangen sind bei 60 und 62 durch Schweißung od. dgl. abgestützt. Vorzugsweise sollten diese Abstützstellen an den Schwingungsknoten liegen, so daß, wenn ein Ende der biegsamen Stange in Schwingung versetzt wird, die Schwingung sich längs der Stange fortpflanzen und nach Passieren des Schwingungsknotens das andere Ende der Stange in Schwingungen versetzen kann. Die Abstützungen 60 und 62 an den Schwingungsknoten können an am mittleren Gehäuseteil 14 angeordneten rohrförmigen Elementen 64 und 66 vorgesehen sein. Bei dieser Anordnung behindern die Abstützungen die Wirksamkeit des Gerätes nicht.

Innerhalb des Gehäuses sind die Stangen 52 und 54 mit Abkrümmungen versehen. Die Abkrümmung 53 erstreckt sich in die Hülse 32. Sie ist an ihrem Ende mit einer magnetischen Armatur 56 versehen, die mit der Frequenz der an der Wicklung 36 liegenden Spannung schwingt und dadurch Schwingungen in der Stange 52 hervorruft. Die Abkrümmung 55 erstreckt sich in die Hülse 34 des Detektorelementes und ist an ihrem Ende mit einer magnetischen Armatur 58 versehen, welche Schwingungen ausführt und in der Wicklung 34 eine Spannung erzeugt, wenn die Stange 54 durch den Spatel 50 in Schwingungen versetzt wird.

Es ist ersichtlich, daß das Innere des Gehäuses 12 auf Grund der abdichtenden Abstützungen 60 und 62 gegen ein Eindringen von im Behälter enthaltener Flüssigkeit gesichert ist.

Im Betrieb wird das Gerät in eine öffnung des Flüssigkeitsbehälters eingeschraubt, so daß sich der Spatel innerhalb des Behälters 68 (F i g. 1) befindet. Es sei darauf hingewiesen, daß im Gegensatz zu mit Schwimmern arbeitenden Geräten das neue Gerät in beliebiger Stellung am Behälter befestigt werden kann, beispielsweise an der Decke, am Boden oder an der Seitenwand des Behälters.

Wie am besten aus den Fig. 2, 4 und 5 ersichtlich ist, wird der zum Schwingmotor gehörenden Wicklung 36 über Leitungen 42 und 44 Strom zugeführt, der den Motor in Schwingungen versetzt. Wird die Wicklung 36 durch Wechselstrom erregt, so wird die fi Armatur 56 angezogen und abgestoßen, um die Stange 52 mit einer gewünschten Frequenz in Schwingungen zu versetzen. Es sei angenommen, daß der Flüssigkeitsstand im Tank unterhalb des Spatels 50 liegt, dann werden die Schwingungen der Stange 52 von ihrer Armatur über den Knotenpunkt 60 auf den Spatel 50 übertragen, der nun mit einer bestimmten Amplitude schwingen wird. Die Schwingung des Spatels 50 wird von diesem auf die biegsame Stange 50 übertragen und von dieser über den Schwingungsknoten auf die Armatur 58. Die elektromagnetische Wicklung 38 erzeugt auf Grund der Schwingungen der Generaturarmatur 58 im magnetischen Feld des permanenten Magneten 42 eine Spannung. Das von dieser Wicklung abgegebene Signal wird über elektrische Leitungen 46 und 48 auf irgendeinen geeigneten Stromkreis übertragen, der mit einer elektrischen Anzeigevorrichtung, beispielsweise mit einem Voltmeter oder einer Relaiswicklung, versehen ist. Vorzugsweise arbeitet das Gerät mit der Resonanzfrequenz der biegsamen Stangen, damit auf Grund der maximalen Schwingungen des Spatels 50 genaue Messungen erhalten werden können. Das Gerät kann aber auch so abgestimmt werden, daß es oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz arbeitet, beispielsweise kann der Spatel absichtlich so leicht ausgeführt sein, daß seine Arbeitsleistung, wenn sich der Spatel in einem Gas bewegt, praktisch gleich Null ist. Andererseits steigt seine Arbeitsleistung an, wenn der Spatel in die Flüssigkeit eintaucht, da dann sein wirksames Gewicht größer wird. Das Gerät kann daher sowohl so ausgeführt sein, daß es bei zu niedrigem Flüssigkeitsstand anspricht, als auch so, daß es bei zu hohem Flüssigkeitsstand anspricht.

Sobald die Flüssigkeit im Behälter auf eine solche Höhe steigt, daß der Spatel mit der Flüssigkeit Berührung hat, werden seine Schwingungen gedämpft, und die Amplituden dieser Schwingungen verringern sich. Die in der Detektorwicklung 38 erzeugte Spannung wird also abnehmen, und diese Abnahme wird am Voltmeter oder an der Anzeigeeinrichtung sichtbar gemacht werden.

In entgegengesetzter Weise wird vorgegangen, wenn das Gerät zum Anzeigen eines niedrigen Flüssigkeitsstands dienen soll. Das heißt, die Flüssigkeit wird die Schwingungen des Spatels so lange dämpfen, bis sie so weit abgesunken ist, daß der Spatel schwingen kann, so daß die Detektorwicklung 38 eine höhere Spannung erzeugt.

F i g. 6 zeigt eine typische Kurve des Verhältnisses der von der Wicklung 38 erzeugten Spannung zum Flüssigkeitsstand. Die Eigenschwingungsfrequenz der drei oszillierenden mechanischen Komponenten (der Stange 52, des Spatels 50 und der Stange 54) kann natürlich nach den verschiedensten Gesichtspunkten ausgewählt werden. Da das Gerät normalerweise mit 60 Perioden je Sekunde (bzw. 120 Schwingungen je Sekunde arbeitet, wird die genaue Auswahl der Eigenfrequenzen dieser Schwingungskomponenten im Verhältnis zur Erregerfrequenz die Kennwerte des Gerätes bestimmen. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz des Spatels so gewählt werden, daß seine Arbeitsleistung in einer gewünschten Weise beim Eintauchen des Spatels in das Strömungsmittel geändert werden kann. Wenn der Spatel in der freien Luft bei seiner Eigenfrequenz schwingt und dann in das Strömungsmittel eintaucht, wodurch sein Gewicht effektiv vergrößert und seine Eigenfrequenz verringert wird, muß seine Arbeitsleistung abnehmen. Wird aber die Eigenfrequenz des Spatels so gewählt, daß sie höher als die Erregungsfrequenz in Luft ist, dann wird seine beim Eintauchen abnehmende Eigenfrequenz sich der Erregungsfrequenz nähern, so daß die Arbeitsleistung zunimmt.

Die Wahl der Eigenfrequenz des Spatels 50 ist also für die Messung des spezifischen Gewichts von Strömungsmitteln wichtig. Wenn beispielsweise die Eigenfrequenz des Spatels derart ist, daß der in das Strömungsmittel eingetauchte Spatel mit dieser Frequenz schwingt, so werden sich verhältnismäßig große Leistungsänderungen aus kleinen, durch Abweichungen im spezifischen Gewicht des Strömungsmittels hervorgerufenen Änderungen der Spateleigenfrequenz ergeben.

Andere, sich aus einer besonderen Auswahl der Eigenschwingungsfrequenz der schwingenden Systemkomponenten ergebende günstige Auswirkungen liegen darin, daß Einwirkungen veränderlicher äußerer Faktoren (z. B. Temperatur, Frequenz, Auswirkungen der Schwingungen, Verschiebung der Knotenpunkte) kompensiert werden können. Beispielsweise könnte bei einer Erregungsfrequenz von 60Hz (120-Hz-Schwingungsfrequenz) die Schwingungseigenfrequenz der Stangen 52 und 54 mit 140 Hz gewählt und die Eigenfrequenz des Spatels unterhalb der Schwingungsfrequenz mit 110 Hz gewählt werden. Wenn dann die Erregungsfrequenz zunimmt, so würde einerseits die Amplitude der Schwingungen der Stangen 52 und 54 dazu neigen, sich zu vergrößern, und die Amplituden der Schwingungen des Spatels dazu neigen, sich zu verringern. Das System als Ganzes würde also eine Änderung in der Erregungsfrequenz kompensieren.

Eine weitere Abwandlungsmöglichkeit des Gerätes liegt darin, an den Enden der biegsamen Stangen 52 und 54 je einen Spatel anzubringen. Mit dieser Anordnung würde die Fähigkeit des Mediums, Schwingungen von einem Spatel zum anderen zu übertragen, gemessen werden können. Diese Fähigkeit würde eine Funktion des spezifischen Gewichtes und der Viskosität des Mediums sein. Wenn der Abstand zwischen den Spateln nur einige Hundertstelmillimeter beträgt, könnte man das Gerät zum Messen der Schmierfähigkeit eines Stoffes benutzen.

In F i g. 1 wird die Anwendung der Erfindung zum Steuern des Flüssigkeitsstandes in einem Tank verwendet. Der Tank ist üblicher Bauart und mit einem durch ein Ventil 72 gesteuerten Auslaß 70 und einem durch ein Ventil 76 gesteuerten Einlaß 74 versehen. Die Ventile 72 und 76 können elektrisch gesteuerte Ventile üblicher Bauart sein. Zwei gemäß der Erfindung ausgebildete Geräte 78 und 80 sind am Tank so angeordnet, daß der Spatel jedes Gerätes im Inneren des Tanks 68 liegt. Das Ventil 76 wird durch das am oberen Ende des Tanks angeordnete Gerät gesteuert und wird geschlossen, wenn der Flüssigkeitsstand eine bestimmte obere Grenzhöhe überschreitet. In gleicher Weise wird das Ventil 72 vom Gerät 80 so gesteuert, daß es geschlossen wird, wenn der Flüssigkeitszustand unter eine bestimmte untere

Grenzhöhe abfällt. Auf diese Weise wird der Abfluß von Flüssigkeit aus dem Tank abgestellt, bevor der Tank völlig entleert ist, und der Zufluß von Flüssigkeit in den Tank kann so lange erfolgen, bis der Tank bis zu einer bestimmten oberen Grenzhöhe gefüllt ist.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß der Anmeldungsgegenstand in Verbindung mit einer größeren Anzahl von verschiedenen Stoffen verwendet werden kann, deren abweichende Dichte, Fließgeschwindigkeit, Viskosität und andere physikalische ίο Eigenschaften so variieren, daß sie den Schwingspatel in verschiedener Weise beeinflussen und dadurch dessen Schwingungsamplitude und Frequenz ändern. Die Erfindung kann also für sehr viele andere Zwecke als die gezeigte Flüssigkeitsstandregelung verwendet werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen physikalischer Stoffeigenschaften mit einem oder zwei in Schwingungen versetzbaren Meßfühlern, die mit dem zu untersuchenden Medium in Berührung gebracht werden können, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßfühler (50) gleichzeitig mit den beiden freien Enden zweier biegsamer Elemente (52, 54) fest verbunden ist, daß die biegsamen Elemente in einigem Abstand von dem Meßfühler von einem gemeinsamen Stützglied (20) gehalten sind und daß eines der biegsamen Elemente (52) an seinem freien Ende (53) eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungsenergie und das andere Element (54) an seinem freien Ende (55) eine Vorrichtung zum Empfang von Schwingungsenergie besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein Spatel (50) und die biegsamen Elemente schwingungsfähige Stangen (52, 54) sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied (20) die schwingungsfähigen Stangen (52, 54) in ihren Schwingungsknoten (60, 62) hält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied (20) Teil eines Gehäuses (12) ist, aus welchem die schwingungsfähigen Stangen (52, 54) mit dem Spatel (50) hervorragen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungsenergie und die Vorrichtung zum Empfang von Schwingungsenergie in dem Gehäuse (12) angeordnet und elektromagnetische Einrichtungen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähigen Stangen (52, 54) im Bereich ihrer Eigenfrequenz in Schwingung versetzt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequeiizen der schwingungsfähigen Komponenten (50, 52, 54) variablen, das Gerät beeinflussenden Faktoren entsprechend abgestimmt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (50) in zwei getrennte, parallelliegende Schwingungselemente aufgeteilt ist, von denen je eines am Ende eines biegsamen Elementes (52, 54) angeordnet ist

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1746 799;
französische Patentschrift Nr. 899 057;
britische Patentschrift Nr. 736 204;
USA.-Patentschriften Nr. 2696735, 2340507.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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