DE1598542A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dichte von gasfoermigen und fluessigen Stoffen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dichte von gasfoermigen und fluessigen Stoffen

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DE1598542A1 DE19651598542 DE1598542A DE1598542A1 DE 1598542 A1 DE1598542 A1 DE 1598542A1 DE 19651598542 DE19651598542 DE 19651598542 DE 1598542 A DE1598542 A DE 1598542A DE 1598542 A1 DE1598542 A1 DE 1598542A1
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Description

Ffin^-Höchst, 1» 11, 1965
1 I TT~ I . Λ.Ι-'-"-" 1
Hummel _ __
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dichte von gasförmigen und flüssigen Stoffen
Meßeinrichtungen zur Messung der Dichte von gasförmigen und flüssigen Stoffen sind schon seit langem bekannt. Der Stand der Technik ist beispielsweise in dem Buch " Messen und Kegeln in der chemis^-chen Technik " von Hengstenberg, Sturm und Winkler ( 2(,AUfI, Springer - Verlag ) dargestellt.
Ergänzend zu diesem Stand sei noch auf die Geräte der Firmen Automation Products f siehe Anlage 1 - Abb. 5 ) und das Gerät der Firma Pintsch Bamag ( siehe Firmenprospekt - Anlage 2 ) hingewiesen, Da die besprochenen Vorteile des erfindungsgemälien Verfahrens auf dem Gebiet der kontinuierlichen Betriebsmessung liegen, so sei auch auf diese Betriebsmessung im wesentlichen Bezug genommen. Ein Nachteil der bekannten Dichtemeßverfahren ist, daß diese mit Ausnahme der Geräte der Firmen Elliot und Automation Products im Nebenstrom arbeiten,, Die Nebenstrommethode hat Nachteile: erstens ist mit der Probenahme eine Zeitverzögerung verbunden, zweitens besteht die Gefahr, daß sich die Probenahmeleitung zusetzt. Letztere Gefahr besteht insbesondere bei schmutzhaltigen Medien,, Ein weiterer Nachteil der Nebenstrommethode ist, daß sie in der Regel einen erheblichen apparativen Montageaufwand erfordert. In Übereinstimmung mit den übrigen Geräten der betrieblichen Meßtechnik besteht seit langem eine Entwicklungstendenz in Richtung auf Inline - Meßgeräte, damit sind Meßfühler und Meßapparate gemeint, welche unmittelbar in den Hauptstrom eingebaut werden können*
Die Vorrichtung nach der Erfindung vermeidet die genannten Nachteile und gestattet ferner eine robuste und korrosionsfeste Ausführung der Messung,,
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Dichte von Stoffen ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Stoff in ein fest eingespannenes Rohr eingebracht w.ird, welches zu mechanischen Querschwingungen angeregt wird, und daß die Frequenz der R::hr-schwingungen, welche eine eindeutige Funktion der Dichte des zu messenden Stoffes ist, als Maß für die zu bestimmende Stoffdichte dient*
Abbu 1 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens,, Ein mit dem zu messenden Stoff beschicktes Rohr 1 ist an zwei Stellen zwischen den Klemmschellen 2 und 3 eingespannt. Etwa in der Mitte ' trägt das Rohr 2 Eisenstücke 4a Die Stücke ergeben zusammen mit den eisenkerngefüllten Spulen 5 und 6 und dem Röhrengenerator 7 einen selbsterregten Tongenerator ( nach dem Muster eines Stimmgabelgenerators ;o Die Frequenz des Tongenerators wird mit Hilfe des Frequenzmessers 8 gemessen* Diese Frequenz iat dann ein Maß für die Stoffdichte dee MeSmediuma«
009816/0983 ~ 2-~
BAD
Die Abb. 2 zeigt die praktische Ausführung dos ^onchilderten Grundprinaips. Hierbei wird der von der Dichte aohängige Frequenzunterschied gegenüber einem Vergleichsnornal gemessen. Als Ver;;leichsnorr.ial wird nur lies sung nor ,jetrie'osdichte ein abgeschlossenes und evakuiertes Hohr (auch ein Jtimuga~elgenerator ist geeignet) verwendet. Zur ..»e ^ sung der iiorndichte (z.B. als Konzentrat ionsciaß bei Stoffjemischen) wird ein .it einen geei;^r -\:'n Vergleichsstoff gefülltes Rohr verwendet. In einzelnen onth.l'. \bb. 2 ein mit den zu messenden otoff Oschickteo Rohr
11 bz... d£is als Vorgleiclisnornal dienende Hohr 21. Me Teile
12 - 17 bzw. 22 - 27 entsprechen ~anz den Teilen 2 - 7 in Abu. 1 (Klemmschellen 12, 13 bzv/. 22, 23; Eisenstäcke 14 bzw. 24; Spulen 15, 16 bzv;. 25, 26; Tongener&tor 17 bzw. 27). In der I.Iischstufe 28 werden die Signale von 17 bzw. 27 zur Erzeujmg der Differenzfrequenz gemischt (quadratische löschung) ..aid anschließend nit einen Tiefpaßfilter 29 die Differenzirc,ugiiz herausgesiebt. Lioce Frequenz wird entweder nit einen Freque.it:- measer 30 direkt genossen oder cie wird einen digitalen Schwingungointe^r -tor 31 zugeführt, welcher in vorgegebc. ■-... Zeitintervallen die Lahl der eiixzelnon Differenz joir./ingun^en digital ermittelt.
natürlich ist auch JeJIe andere lie thode der uesnung der Frequenz bzw. der Differenzfrequenz geeignet. 3o kann beispielsv/cl 'e die Spule 5 in Abb. 1 nit einem Wechselstrom konstanter A.iplj. u'.-.de und Frequenz beschickt ./erden. Die Frequenz dieses u'echc.'Istroneo soll etwas -außerhalb dor Eigenfrequenz des Itohres 1 liegen (ctv/a bei der halben Rüsoii-:.iizanplitude). Das Rohr 1 wird d;.nn zu erzwungenen Sch\/in{;un:;en angeregt, deren Amplitude i:.ber die Jpule 6 (die hier einen vomagnetisierten eisenkern enthalten nur) abgenommen v/erden 1::ω und air; ..,aß für die Vcrstir.ir.iun.j uos Rohre,j I und somit fir die Liclite dient (Lethode der halben aesünanzkurve).
Ferner kann nr.'n boi einer anderen „;eßr.iethode über die Jpule 5 in Abb. 1 nit konstanter Frequenz das Rohr 1 zu Schwingungen anregen und das Signal dor vorn:, ,netisierten üpule 6 über einen phasenrichtigen Verstärker in Verbindung r.iit einoi.. oervouechaui.".--i-ius dazu benutzen, um an dem Rohr 1 eine ne.To -ro Yorstiui-iung (ζ.Γϊ. durch Verschieben eines Reiters oder durch Verspannen einer .kleinen am üohr angebrachten Zusafczfeder) hervorzurufen; und zv;;.r soll die Verstimmung so groß sein, daß das HJ.— · 1 in Resonanz mit der anregenden ,'.'eciiselopannung der Spule 5 bleibt (Abgleich auf Phasenunterechisd 0 bzw. 1üOüG). Dieses Verfahren lüßt für die An,:endung in der chemischen Verfr hrenstechnil: noch folgende einfache Variante zu. Ec gestehe hierbei die Aufg.-.ue, die Dichte eines'Produ'ztstroLies durch einen regeltechnisc en Eingriff in das Produktionsverfahren r.uf einen konstanten Wert zu rejoin. Führt man den in der Lichte zu regelnden Produkts brom den xiohr 1 der Abb. 1 zu und ersetzt nan den e'ocn erwähnten oervonoclk.niünus durch einen Regler mit einem in dr.s Produktionsverfahren eingreifenden, die Dichte beeinflussenden Stellglied, so ist co möglich, die Dichte in Rohr 1 so zu verändern, da'.' ein einnal eingestelltar Renonanzzustnnd erhalten bleibt. Die noch .niache Verutirmung des Aohros 1 entfallt dabei. Dor Sollwert ier Dichte ist bei eingeregeltem n"ee-v.aiaiizfall konstant, wie o- der betrieblichen Aufg--.bensbellunt'j entapr.-'-ch.
0098 16/0963 BADORiGINAL
fr3fj!tr
~3~ 1598Έ42-
Die Verwendung eines geraden Rohres (1) in Abb. 1 bzw.(11) in Abb. 2 hat den Vorteil, daß bei einer kontinuierlichen Messung Störungen durch Schmutzablagerung oder G-asblasenabscheidung im Meßrchr durch senkrechte Anordnung des Rohres praktisch verhindert werdenköimea* Darüber hinaus wird es möglich, ein bereits im Betrieb vorhandenesmit dem zu messenden Gut beströmtes Rohr unmittelbar für die Messung nutzbar zu machen. Es entfallen auf diese Weise zusätzliche Entnahmestutzen und Ventile, die -sonst an der Produktdes Betriebes anzubringen wären.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können jedoch auch andere Rohrformen angewendet werden. Beispielsweise kann an Stelle des geraden Rohres (1) in Abb. 1 auch ein U-förmig gebogenes Rohr Verwendung finden. Dabei sind die Klemnsohellen (2) und (5) an den beiden Schenkeln anzubringen.
Bei ein^r anderen Ausführung wird dar Rohr zwischen den beiden Klenmscwellen kugelförmig oder zylir.lerfömig erweitert.
Die Eigenfrequenz des mit Meßgut beschickten Rohres (1 in Abb. 1) wird zweckmässig zwischen 50 und 2000 Hertz gewählt. Jedooh sind auch höhere Frequenzen für Meßrohre mit kleinem Meßvolunen anwendbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die hohe Ansprechgeschwindigkeit. Diese Eigenschaft ist besonders bei dem Einsatz zur Verfahrensregelung von großer Wichtigkeit.
Der einfache Aufbau des mit dem Meßgut in Berührung kommenden MeB-rohres erweist sich als Vorteil bei der Anpassung der Me!einrichtung an korrosive Meßmedien.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Vorschlages gemäß der Erfindung werden die folgenden Beispiele aufgeführt:
Zur Messung von Salzsäure Meßbereich 15-25 Gew-,"S ist ein Gerät gemäß Abb. 2 verwendbar.
Eine weitere Meßaufgabe aus dem praktischen Betrieb ist die Messung von Schwefelsäure Meßbereich 78-82 Gew.#.
Bei der Messung von Kesselspeisev/asser unter Druck ergibt sich der Vorteil, daß die Messung ohne Zwischenschaltung einer Entspannung direkt unter Druck ausgeführt wer drin kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Le lethodo ist die Tatsache, daß eine sehr hohe Meßgenauigkeit und Empfindlichkeit erzielt werden kann; so 1st für flüssigkeiten ein Meßbereichsumfang von 0,01 kg/l mit 3% relativer Genauigkeit bezogen auf den Meßbereichsumfang technisch realisierbar.
Auch für Gase untr Druck und für Flüssiggase ist die Vorrichtung nach der Erfindung gut einsetzbar.
Zur weiteren Erläuterung des erfinäungsgemäßen Meßverfahrens sei die theoretische Grundlage an Hand von Formeln näher dargestellt.
BAD
0098 16/0963 ΒΛ
Für die Anordnung nach Abb. 1 soll hierbei von folgenden Begriff sfeBtlegungen ausgegangen werden.
Q 4 = Dichte des Meögutes am Anfang des Meßbereiches
Q1 a Dichte des Meßgutes am Ende des Meßbereiches
Aq = MeßbereichBumfang
Q0 = Dichte des Wandmaterials für das Meßrohr
E = Elastizitätsmodul des Materials für das Meßrohr
J = Äquatoriales Trägheitsmoment für das Meßrohr
d = Meßrohrinnendurchmesser
F = Meßrohrquerschnitt
S β Wandstärke des Meßrohres
I = länge des Meßrohres zwischen den Klemmschellen
f(j β Eigenfrequenz des leeren Rohres
f4 = Eigenfrequenz des Rohres am Anfang des Meßbereiches
f* s Eigenfrequenz des Rohres am Ende des Meßbereiches
Δf = fι - fι = Meßtechnisch Nutzbarer Frequenzunterschied
Δf s Meßtechnisch nutzbarer relativer Frequenzunterschied f λ
Für f0 ergibt sich nach "HÜTTE" (1. Band 1936, S.437)
Wenn die Masse des Meßgutes klein gegenüber der Rohrmasse ist, so gilt ferner:
Hf* (2)
Bei Meßrohren mit einer Wandstärke von weniger als 20$ des inneren RohrdurchmeBsers ist bei Gasen über 100 atü und bei Flüssigkeiten,-die Gleichung (2) zu ersetzen durch:
Zur Erläuterung der Gleichungen (1) und (2) seien 2 Beispiele angegeben:
Im ersten Beispiel seien folgende Annahmen gemacht:
l«40cm, d-0,4cm; s-O/lcm,- Q0-8 %m3,
E= 2,1 -10ek%m2; Q1-I 96,,1,Q1-W %ms, 4 «-0,1 ^1
009816/0963
BAD ORIGINAL
Diese Angaben entsprechen etwa einem Stahlrohr von 4 mm Innen- und 6 mm Auasendurohmesser von 40 cm Länge. Bei dem Meßgut mag es sich um eine wässerige Lösung handeln, wobei der Wert Sa dem reinen Wasser entspricht. Das Rohr sei beiderseitig eingespannt. Gemessen/ird mit einer Vergleiehsrohranordnung gemäß \bb 2. Aus G-leichung (1) und (2) folgt dann:
fo-206,5sec"1 und Δί- 6,25-10"*·f0 - 1,29 see"1
Wird in diesem Fall eine Integrationszeit von 25 see. gewählt, so ergibt das für den Dichtebereich ^η.QI(Lf.-^ eine relative MeSgenauigkeit von 3%. y '
Im zweiten Beispiel sei für eine G-asanalyse folgende Annahme gemacht:
L=20cm; d-1,5 cm; s=0,05cm; E= 0,63-10 1
Diese Angaben entsprechen etwa einem Meßrohr aus Duraluminium. Das Meßgut sei ein Gasgemisch bei Formaldruck. Es folgt dann sinn - '■'>* wie im ersten Beispiel:
fo-2U0sec-1 und Zf-1,18 see"1
Um den angegebenen Dichtebereich mit einer relativen Genauigkeit von 3$ ausführen zu können, ist dann eine Integrationszeit von 28 see. erforderlich.
BAD ORIGINAL
009816/0963
ι ;■.(

Claims (6)

Patentanspriiche
1. Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dichte von Stoffen dadurch gekennzeichnet, daß der· au mesoende Stoff in ein fest eingespanntes Rohr eingebracht wird, welches zu mechanischen iUerschwingungen angeregt.wird und daß die Frequenz der Rohrschwingung, welche eine eindeutige funktion der Dichte des zu me3i3enden Stoffes ist, als Liaß für die zu bestimmende Stoffdichte dient.
2„ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gerades zwischen 2 festen Punkten eingespanntes Rohr Verwendung findet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein U-Rohr verwendet wird, -,.'elches an den beiden Schenkeln eingespannt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingespannte Rohr etwa in der Lutte eine kugelförmige oder
zylindrische Erweiterung besitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Betriebsdichte der Temperatureinfluß auf die Eigenfrequenz des leeren Rohres dadurch kompensiert wird, daß die Differenz der Schwingungsfrequenzen zv/ischen einen leeren auf gleicher Grundfrequenz abgestimmten Rohr und deu nit dem Meßgut gefüllten auf gleicher Temperatur befindlichen Rohr
gemessen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der llormdichte (als Konzentrationsmaß bei otoffgemischen) der Temperatureinfluß auf die Schwingun^sfrequenz des mit Stoffgemiseh gefüllten Rohres dadurch kompensiert
wird, daß die Differenz der Schwingungsfrequenzen zwischen
einem mit einem Vergleichsstoffgemisch (entsprechend einem
Bezugspunkt im Dichtemeßbereich) und dein mit den Lleßgut gefüllten Rohr genessen wird.
009816/0963
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