DE1498602B2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen bestimmen der wichte von fliessfaehigen stoffen - Google Patents

Description

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wirkung der Massenkräfte an den Enden der Gabel- Fig. 9 die gesamte Schaltung zur Messung und

zinken eine durch Prallplatten geringen Gewichts Registrierung,

vergrößerte Oberfläche aufweist. Die Erfindung be- Fig. 10 den Verlauf der Anzeige bei gespreiztem

steht somit in der Kombination Stimmgabel - Prall- Frequenzbereich,

platte. Schon durch Anbringung je einer Prallplatte 5 Fig. 11 die Anordnung der Meßvorrichtung in

an jedem Gabelzinken wird eine verbesserte einem Seitenstrom und

Frequenzänderungskennlinie erreicht.In einem Hohl- Fig. 12 im Hauptstrom des zu messenden Gases, körper angebracht wird die Stimmgabel zu unge- Die Vorrichtung besteht in ihrem wesentlichen dämpften Schwingungen angeregt, deren Frequenz Teil aus der Stimmgabel 1, die koaxial in einem von der Wichte des umgebenden Stoffes abhängt, io Hochdruckrohr 2 angeordnet ist. Hierzu ist die während die Art des Stoffes beispielsweise die bei Stimmgabel 1 an ihrem Fuß mit einem Konus 3 verunterschiedlichen Gasen stark schwankenden Werte sehen, der mittels eines Schraubringes 6 in einen dem der Viskosität keinen Einfluß auf die Frequenz aus- Konus 3 entsprechenden Hohlkegel 5 des Hochdrucküben kann. rohres 2 eingespannt und dadurch in genau bestimm-Die Selektivität der Frequenzen wird bei Verwen- 15 ter Lage zum Druckrohr 2 festgelegt ist. Ein Ausdung einer Stimmgabel mit Prallplatten gegenüber tausch von Stimmgabeln, z. B. unterschiedlicher bekannten Meßvorrichtungen schon dadurch be- Eigenfrequenz, ist so leicht möglich,
trächtlich erhöht, daß das Schwingsystem durch Die Stimmgabel 1 ist an ihren beiden schwingen-Eigenschwingungen weiter mit der Stimmgabel ge- den Enden mit Köpfen 7 versehen, denen gegenüber koppelten Teile nicht beeinflußt werden kann. Nach 20 sich jeweils ein Paar von ferromagnetischen PoI-einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die schuhen 8 befindet. Die Polschuhe 8 sind beiderseits vergrößerte Oberfläche aus mehreren, mit Abstand in die Wand des Hochdruckrohres 2 eingeschweißt, untereinander zu einem Paket geschichteten Prall- Sie sind aus der Wand herausgeführt und enden platten, die in ihrem Schwerpunkt mit den Zinken jeweils in einer Verstärkung. Zwischen den beiden der Stimmgabel verbunden sind. 25 Enden eines zusammengehörigen Paares von Pol-Weitere erfindungsgemäße Merkmale betreffen die schuhen 8 ist je ein Permanentmagnet 9 angeordnet. Befestigung und Anordnung der Stimmgabel in dem Das eine Paar von Polschuhen 8 bildet demnach zuHohlkörper, sammen mit den über den Polschuhen 8 vorhandenen Die prinzipielle Wirkungsweise der Vorrichtung Spulen einen induktiven Aufnehmer 10, das andere zum kontinuierlichen Bestimmen der Wichte ist dem- 30 Paar einen Elektromagneten 11.
nach die, daß eine Stimmgabel verbesserter Kon- Die Erregung der Gabel 1 zu ungedämpften struktion in einer rohrförmigen Meßstrecke zu Schwingungen geschieht (Fig. 2) durch den am ungedämpften Schwingungen angeregt wird. Die äußeren Umfang des Druckrohrs 2 angeordneten Eigenfrequenz dieses schwingenden Systems hängt induktiven Aufnehmer 10 sowie den Elektromagnenur dann von der Wichte des die Stimmgabel um- 35 ten 11, wobei die Durchführung der Feldänderungen gebenden Stoffes ab, während die Art des Stoffes bzw. durch das aus einem Stahl geringer Permeabilität die bei unterschiedlichen Gasen stark schwankenden bestehende Druckrohr 2 mittels der in dieses einge-Werte der Viskosität keinen Einfluß auf das Meß- schweißten ferromagnetischen Polschuhen 8 erfolgt, ergebnis haben. Diese Eigenschaften der Meßvorrich- Auf diese Weise werden die konstruktiv schwierigen tung bei ihrer Anwendung zur Bestimmung der 40 Durchführungen elektrischer Leitungen durch einen Wichte von Gasen wurde durch eingehende Versuche Druckmantel vermieden. Der induktive Aufnehmer mit unterschiedlichen Gasarten nachgewiesen. Es ist 10 und der Elektromagnet 11 sind am Eingang bzw. auf diese Weise möglich, die Vorrichtung mit einer Ausgang eines Transistor-Wechselspannungsverstär-Gasart A in einem bestimmten Wichtebereich zu kers 12 angeordnet, so daß bei genügend großer Vereichen, um es dann für ein anderes Gas B oder ein 45 Stärkung und richtiger Phasenlage die gesamte aus Gasgemisch C zur Wichtemessung einzusetzen. Verstärker 12 und Stimmgabel 1 bestehende Anord-

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrich-_ nung in bekannter Weise zum Schwingen kommt,

tung wird auch die nötige Auswertearbeit erheblich Die Frequenz der entstehenden Schwingungen wird

vereinfacht, da die für die Umrechnung notwendige hierbei durch die Eigenfrequenz der Stimmgabel 1 Bestimmung der Wichte nicht erst aus Druck, Tem- 50 bestimmt (F i g. 3).

peratur und der Zusammensetzung des Gases errech- Mißt man mit einer solchen Anordnung die

net werden muß, sondern von dem Gerät direkt Stimmgabelfrequenz in Abhängigkeit von der Wichte

angezeigt und registriert wird. Die Zusammensetzung des sie umgebenden Gases, so erhält man einen Ver-

■des Gases braucht dabei nicht bekannt zu sein. In lauf, wie er in Fig. 4 in Kurvet schematisch darden Zeichnungen sind mehrere Formen und Einsatz- 55 gestellt ist. Die Frequenz von beispielsweise etwa

möglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1000 Hz nimmt mit zunehmender Wichte ab, wobei

schematisch dargestellt, und zwar zeigen der Gradient dieses Abfalls mit wachsender Wichte

F i g. 1 und 2 einen Längsschnitt bzw. Querschnitt gleichfalls abnimmt. Diese Änderungen der Anzeige

durch die Meßstrecke mit der Stimmgabel, sind bei Verwendung einer üblichen Stimmgabel

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Meßstrecke 60 aber gering. Sie betragen für eine Gaswichteänderung

mit angeschlossenem Verstärker, . von z.B. 0,05g/cm³ etwa 1% der Stimmgabel-

F i g. 4 die Abhängigkeit der Stimmgabel-Frequenz frequenz, sind aber sehr genau definiert und reprodu-

von der Wichte, zierbar. Um die Frequenzänderungen zu erhöhen,

Fig. 5 Grundriß und sind die Zinken der Stimmgabel! (Fig. 5, 6) mit

F i g. 6 Seitenriß der Stimmgabel mit einem Paar 65 Prallplatten 13 versehen, die aus einem spezifisch

von Prallplatten, besonders leichten Metall, z. B. aus legiertem AIu-

F i g. 7 oder 8 Grundriß und Seitennß des Stimm- minium oder Titan, hergestellt sind. Sie sollen die

gabelkopfes mit einem Prallplattenpaket, Oberfläche der Gabelzinken bei möglichst geringer

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Gewichtserhöhung vergrößern und sie damit in eine sene Wichte, z. B. mittels eines Drehspulinstruments bessere Wechselwirkung mit dem sie umgebenden 19, angezeigt, bzw. registriert. Die in F i g. 4 angege-Gas bringen. Diese Wirkung wird weiter verstärkt, bene Krümmung der Kennlinie tritt bei der Kurve wenn die Prallplatten gemäß Fig. 7, 8 aus mehreren, nach Fig. 10 weit weniger in Erscheinung, da hier übereinander angeordneten, dünnen Blechen 14 be- 5 nur ein relativ kleines, dem Wichtemeßbereich entstehen, die bei geringem Gewicht große mechanische sprechendes Frequenzintervall dargestellt und über Steifigkeit und eine große Oberfläche besitzen. Mit den ganzen Meßbereich gespreizt ist. Bei praktischen einer solchen mit Prallplatten versehenen Gabel 1 ist Ausführungen eines Wichtemessers nach dem hier es möglich, die Frequenzänderung auf etwa lO°/o der beschriebenen Prinzip kann deshalb bei einer maxi-Grundfrequenz bei einer Wichteänderung von io malen Abweichung von etwa 0,5% ein linearer 0,05 g/cm³ zu erhöhen, sie also etwa um das Zehn- Zusammenhang zwischen Wichte und Ausgangsfache zu vergrößern, ohne daß Genauigkeit und spannung erzielt werden.

Wiederholbarkeit der Messung dadurch beeinträch- Die gesamte beschriebene Meßanordnung ist gegen

tigt werden. Die Charakteristik einer solchen Gabel Netzspannungsschwankungen und Änderungen der

hat einen Verlauf, wie er in F i g. 4 in Kurve B dar- 15 Eigenschaften der verwendeten Verstärkerelemente

gestellt ist. und elektrische Bauelemente, wie Transistoren,

Die Frequenzkennlinie der erfindungsgemäßen Widerstände und Kondensatoren, in weiten Grenzen Vorrichtung nach Fig. 4 KurveB liegt für ein Be- unabhängig, da nur die vom Stimmgabeloszillator triebsmeßgerät jedoch noch keineswegs sehr günstig. und Quarzoszillator 15 gelieferten Frequenzen die Würde man nämlich zur Darstellung des Meßergeb- 20 Größe der zur Messung dienenden Schwebungsnisses die Frequenz der Stimmgabel 1 z. B. mit einem frequenz bestimmen und Amplituden und Kurven-Frequenzmesser bestimmen, so würde dieser nur im form dieser Spannungen keinen Einfluß auf das letzten Zehntel seines Meßbereichs ausgesteuert wer- Meßergebnis haben. Beim Stimmgabeloszillator sind den, während V10 davon unterdrückt werden müßten. die eventuell durch Temperaturschwankungen auch Dies würde auch bei einem erheblichen Aufwand zur 25 bei konstanter Wichte verursachten Frequenzände-Stabilisierung der benötigten Gleichspannungen zu rungen schon bei der Verwendung von Gabel 1 aus Nullpunktschwankungen und damit zu Meßfehlern unlegierten Stählen gegenüber den durch Wichteführen. Ferner würde bei einem derartigen Verfah- Schwankungen des Gases verursachten Änderungen ren am Anzeigeinstrument mit zunehmender Wichte klein. Zur weiteren Verminderung dieses Störeine Verminderung des Zeigerausschlags eintreten, 3° einflusses kann die Stimmgabel 1 in bekannter Weise was eine Erschwerung der Ablesung zur Folge hätte. aus einem Stahl mit weitgehend temperaturunabhän-

Diese Schwierigkeiten werden bei Anwendung gigem Elastizitätsmodul hergestellt werden. Der vereiner Schaltung beseitigt, wie sie in Fig. 9 schema- wendete Quarzoszillator 15 ist, falls sich seine sehr tisch dargestellt ist. Danach wird die von der Stimm- geringe temperaturbedingte Frequenzänderung noch gabel 1 in ihrer Frequenz bestimmte, vom Verstärker 35 störend bemerkbar macht, durch einen einfachen 12 abgegebene Wechselspannung mit einer weiteren Thermostaten zu stabilisieren.

Wechselspannung, die ihrerseits von einem Quarz- Lediglich der zur Umformung der SchwebungsoszillatorlS geliefert und z.B. in einem dekadischen frequenz in eine Gleichspannung dienende Frequenz-Untersetzer 16 geeignet untersetzt wird, zur Schwe- messer 20 bedarf einer konstanten Betriebsspannung, bung gebracht. Hierbei entsteht in einer Mischstufe 40 Die Fig. 11 zeigt die erfindungsgemäße Vorrich-

17 eine der Summe bzw. Differenz beider Wechsel- tung, die durch das Bezugszeichen 21 gekennzeichnet spannungen entsprechende Frequenz. Betrachtet man ist, angeordnet in einem Seitenstrom, wobei die Vornun z. B. die Differenz der beiden Frequenzen, die richtung 21 von dem zu messenden Gas mit geringer durch einen der Mischstufe nachgeschalteten Tiefpaß Strömungsgeschwindigkeit durchströmt wird, mit

18 ausgefiltert wird, und zwar für den Fall, daß die 45 einem Gehäuse 22, in dem die elektronischen Geräteder Mischstufe 17 zueeführte Vergleichsfrequenz teile untergebracht sind.

gerade der Stimmgabelfrequenz am unteren Meß- " Eine etwas abgewandelte Ausführungsform zeigt bereichsende entspricht, so ergibt sich für einen der- Fig. 12. Hier ist die Vorrichtung 21, um einen beartigen Wichtemesser eine Charakteristik nach sonders guten thermischen Kontakt mit dem Meßgas Fig. 10. Hier wird die Zweckmäßigkeit des zwischen 5° zu erzielen, unmittelbar mit einer das Gas enthalten-Quarzoszillator 15 und der Mischstufe 17 emge_; den Rohrleitung 24 verbunden, wobei durch ein schalteten Impulsuntersetzers 16 besonders deutlich. kleines, im Innern angeordnetes Staurohr 23 für eine Dieser erlaubt es, der Mischstufe 17, z. B. beim Aus-! ausreichende Spülung der erfindungsgemäßen Vortausch von Stimmgabeln oder bei Meßbereichsände- richtung 21 mit Meßgas gesorgt ist. So werden alle rungen, eine Vergleichsfrequenz zuzuführen, die iii 55 durch Druck-und Temperaturänderungen oder durch feiner Abstufung und genau reproduzierbar einstell- Änderungen der Art und der Zusammensetzung des bar ist. ... Meßgases verursachten Wichteschwankungen sehr Die Frequenzen am oberen Meßbereichsende kann rasch erfaßt und angezeigt. Der elektrische Geräteteil bei den üblichen Ausführungen eines Wichtemessers selbst ist wieder in dem festen Gehäuse 22 untermit einem Meßbereich von z.B. 0,10 bis 0,15g/cm³ 60 gebracht, das z. B. bezüglich seines Explosions-80 oder 100 Hz betragen, ist also mit bekannten Schutzes »Druckfeste Kapselung« entspricht. Frequenzmesserschaltungen 20, ζ. B. nach dem Der elektrische Geräteteil kann in beliebiger Ent-Ratemeter-Prinzip, in einfacher Weise in eine der fernung vom Meßfühler, z. B. in einer Meßwarte, jeweiligen Frequenz proportionale Gleichspannung untergebracht werden. Das Meßergebnis kann dort bzw. einen eingeprägten Gleichstrom umzuformen. 65 angezeigt bzw. registriert oder aber an einen beliebi-Dieser wird dann als Maß für die vom Gerät gemes- gen anderen Ort übertragen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 stäbe, durchflossene Gefäße mit membranähnlichen Patentansprüche: Wänden od. dgl. meßbare Frequenzänderungen er fahren. Diese Frequenzänderungen sind z. B. ein Maß

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Bestim- für die spezifische Dämpfung oder die Viskosität des men der Wichte von fließfähigen Stoffen, Vorzugs- 5 Stoffes. Für die kontinuierliche Messung der sich weise von unter hohem Druck stehenden Gasen, ändernden Wichte eines unter hohem Druck stehendurch Messen der bei sich ändernden Wichte den fließfähigen Stoffes sind jene bekannten Systeme eintretenden Frequenzänderungen eines den nicht ohne weiteres geeignet. — Es ist ferner aus der Massenkräften des zu bestimmenden Stoffes aus- Zeitschrift »Technische Rundschau«, 1963, Nr. 19 gesetzten mechanischen Schwingungssystems, das io bekannt, als Geber bzw. Frequenznormal zur Zeitin einem die Meßstrecke bildenden, nicht schwin- messung mit elektrisch-mechanischen Schwingungsgenden, bei Wichtebestimmung von unter hohem systemen eine Stimmgabel zu verwenden. Mit Stimm-Druck stehenden Gasen druckfest ausgebildeten gabelausführungen jener bekannten Art, bei denen Hohlkörper befestigt ist, wobei die Schwingungen die Gabelzinken bis zum mit maximaler Amplitude durch die Wand des Hohlkörpers induktiv nach 15 schwingenden freien Zinkenenden aus homogenem außen übertragbar sind, dadurch gekenn- Wirkstoff bestehen und vorzugsweise mit unveränderzeichnet, daß das schwingende System eine ten Querschnitten prismatisch gestaltet sind, sind die Stimmgabel (1) ist, die zur Erhöhung der Wechsel- auf Grund der sich ändernden Wichte des umgebenwirkung der Massenkräfte an den Enden der den Stoffes sich einstellenden Frequenzänderungen Gabelzinken eine durch Prallplatten (13; 14) ge- 20 verhältnismäßig klein. Sie würden daher für die ringen Gewichts vergrößerte Oberfläche aufweist. weitere Verstärkung, Umsetzung und Reproduzierung

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch bis zum Meßwert einen unverhältnismäßig großen gekennzeichnet, daß die vergrößerte Oberfläche Aufwand erfordern.

aus mehreren, mit Abstand untereinander zu Mit der deutschen Auslegeschrift 1 003 476 ist

einem Paket geschichteten Prallplatten (14) be- 25 ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der spezifi-

steht, die in ihrem Schwerpunkt mit den Zinken sehen Masse eines fließfähigen Mediums bekannt, bei

der Stimmgabel (1) verbunden sind. der dieses durch zwei auf den freien Enden der Zin-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ken einer Stimmgabel angeordnete Behälter fortgekennzeichnet, daß der Fuß (3) der Stimm- laufend hindurchgeführt und die Frequenz bzw. gabel (1) mit dem die Meßstrecke bildenden 30 Frequenzänderung der elektromagnetisch zu Eigen-Hohlkörper (2) lösbar und schwingungsfrei ver- schwingungen angeregten Stimmgabel gemessen bunden ist. wird. — Bei dieser Ausführung muß ein Teilstrom

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch des zu bestimmenden Stoffes aus dem außen die gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (1) koaxial Stimmgabel tragenden Rohrstück herausgeführt und in dem rohrförmig ausgebildeten Hohlkörper (2) 35 über hinreichend flexible, die Schwingungen der angeordnet ist. Gabelzinken nicht störende Leitungen an die beiden

außen an den Zinken befestigten Gefäße heran- und wieder abgeführt werden. — Abgesehen von einem

insofern erheblichen Aufwand zusätzlicher Mittel

40 zum Transport des Stoffes wird hierbei das Schwingungssystem durch die Eigenschwingungen der Leitungen und der Gefäße beeinflußt. Um genaue

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kon- Messungen zu erzielen, müßte das außerhalb des tinuierlichen Bestimmen der Wichte von fließfähigen Rohrstückes angeordnete Schwingungssystem ein-Stoffen, vorzugsweise von unter hohem Druck stehen- 45 schließlich der Gefäße mit Mitteln zur Konstantden Gasen, durch Messen der bei sich ändernden haltung der Temperatur versehen sein, um systema-Wichte eintretenden Frequenzänderungen eines den tisch Meßfehler auszuschließen.
Massenkräften des zu bestimmenden Stoffes ausge- Ferner läßt sich eine derartige Vorrichtung nicht

setzten mechanischen Schwingungssystems, das in für hohe und höchste Drucke aufbauen, ohne das einem die Meßstrecke bildenden, nicht schwingenden, 50 Schwingungsverhalten des Systems auch diesbezügbei Wichtebestimmung von unter hohem Druck lieh wesentlich zu beeinflussen. Gerade aber für die stehenden Gasen druckfest ausgebildeten Hohlkörper Wichtebestimmung von fließfähigen Medien, insbebefestigt ist, wobei die Schwingungen durch die Wand sondere Gasen unter hohen Drucken, besteht das des Hohlkörpers induktiv nach außen übertragbar Bedürfnis nach einer einfachen Anordnung, die sich sind. 55 in selbsttätig geregelte Produktionsanlagen beliebiger

Bei der Mengenmessung von strömenden Gasen ist Druckstufen ohne Schwierigkeiten einfügen läßt und die Kenntnis der jeweiligen Wichte von großer prak- möglichst störungs- und wartungsfrei arbeitet,
tischer Bedeutung, da mit den üblichen Mengen- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

meßverfahren ausschließlich das Volumen des strö- die wichteabhängig mechanisch schwingende Stimmmenden Gases bestimmt wird, während für die 60 gabel so zu gestalten, daß die Frequenzänderungs-Aufstellung einer Betriebsbilanz jedoch vor allem das kennlinie günstiger, d. h. mit vergrößertem Gradienvon Druck und Temperatur unabhängige Gewicht des ten verläuft, so daß die zur Reproduzierung des Gases von Interesse ist. Meßwerts erforderlichen technischen Mittel entspre-

Zur Bestimmung der physikalischen Konstanten chend klein gehalten werden können,
von fließfähigen Stoffen sind bereits mechanisch 65 Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art schwingende Systeme bekannt, bei denen die un- wird die obengenannte Aufgabe erfindungsgemäß mittelbar den Massenkräften des jeweiligen Stoffes dadurch gelöst, daß das schwingende System eine ausgesetzten Elemente, wie Saiten, Pendel, Torsions- Stimmgabel ist, die zur Erhöhung der Wechsel-