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Messanordnung zur Präzisionsmessung der Dichte von Flüssigkeiten
und Gasen durch rotierende Sonden.
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In der physikalischen Ozeanographie ist die Messung der Dichte des
Meerwassers in situ von grosser und prinzipieller Bedeutung. Da es sich hierbei
um Messungen sehr hoher Genauigkeit handelt, konnte dieses Problem bislang nicht
in befriedigender Weise gelöst werden.
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Es wurde für die Dichtemessung vorgeschlagen, eine im Meerwasser rotierende
und zu versenkende Sonde zu verwenden, die aus einem rotierenden Rohrsystem besteht,
durch welches das zu messende Meerwasser hindurchströmt. Bei diesem Hindurchströmen
wird das Wasser zur Mitrotation gebracht. Im Inneren des rotierenden Rohres befindet
sich ein fest mit dem Rohr verbundenes Gestell. Dieses Gestell tragt einen kondensator
mit zwei Aussenmembranen, an denen selikrecht zur Rotationsachse über Drähte zwei
gleichgrosse unct ihr spezifischen Gewicht ebenfalls gleiche kugelförmig Körper
befestigt sind. Dus spezifische Gewicht dieser
Körper wird etwas
grösser, als das des zu messenden Mediums gewählt, so dass bei einer Rotation dieser
beiden Körper eine Zentrifugalkraft einwirkt, die sich auf den Kondensator überträgt.
Nach der Grösse der entstehenden Zentrifugalkraft wird eine Kapazitätsänderung bewirkt,
über die die Dichte des Mediums zu messen ist.
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Diese vorgeschlagene Anordnung stellt hohe Anforderungen vor allem
an die Konstanz der Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Systems. Das rührt von
der Abhängigkeit der Zentrifugalkräfte von der Winkelgeschwindigkeit des Systems
her. Wegen der gewünschten hohen Messgenauigkeit bereiten aber auch die Gegenkräfte
der Kondensatormembrane gegen die Zentrifugalkräfte hinsichtlich der Exaktheit ihrer
Einstellung Schwierigkeiten.
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Durch die Erfindung sollen diese Schwierigkeiten überwunden werden.
Es wird zur Lösung einer solchen Aufgabe bei einer Messanordnung zur Präzisionsbestimmung
der Dichte von Flüssigkeiten und Gasen mittels rotierender Hohlkörper vorzugsweise
mittels eines um die Rohrachse rotierenden Rohrsystems, durch welche das zu messende
Medium mitrotierend hindurchströmt bzw., in welchem das zu messende Medium intermittierend
eingeschleust wird, vorgesehen, dass sich in dem mitrotierenden Nedium eine Anordnung
von miteinander verbundenen Körpern befindet, deren spezifische Gewichte untereinander
und
gegenüber dem des Mediums differieren, so dass für die Körperanordnung
ein von der Dichte des Mediums abhängiges, in der Rotationsachse des Mediums liegendes
Drehzentrum entsteht, aus dessen Lage in Bezug auf die Körperanordnung mittels an
sich bekannter lageabhängiger elektrischer Selbstinduktionen, Kapazitäten oder Widerstände
und dergl. die Dichte gemessen wird.
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Bei einer solchen Messanordnung ist weiter vorgesehen, dass die Körperanordnung
aus zwei so untereinander verbundenen Kugeln besteht, dass ihr gegenseitiger Abstand
konstant bleibt, in dem sie gegensinnig wirkend an der Peripherie einer Drehscheibe
beispielsweise über Drähte befestigt sind und dass die Dichte der Kugeln untereinander
grösser gewählt ist, als der Dichte des Messmediums entspricht, wobei sich ein labil-er
Gleichgewichtszustand bildet, nach dem nach an sich bekannten Methoden über elektrische
Kontakte und Antriebsmittel ein die Kontakte betätigende und die labile Gleichgewichtslage
festlegende drehbare Scheibe stets so durch Regelung verstellt wird, dass die labile
Rotationslage aufrechterhalten bleibt'und über eine Drellvinkelmessung und drehwinkelabhängige
bekannte elektrische Hilfsmittel die Dichte des Mediums gemessen wird.
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In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt.
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Es zeigen: Abb. 1 die Messanordnung in Ansicht, Abb. 2 einen senkrechten
Querschnitt durch die Abb. 1 und Abb. 3 die Verbindung der Körper mit einer Achse.
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Ein Rohr 2 dient gemäss Abb. 1 für die Aufnahme der durch dieses Rohr
hindurchströmenden und hinsichtlich ihrer Dichte zu messenden Flüssigkeit 1, die
in Richtung der eingezeichneten Pfeile strömt. Das Rohr 2 wird an einer Säule 6
über Lagerschalen 7 und 8 geführt und über einen Motor 5 und einen Zahnradantrieb
4 und 3 in Rotation gebracht. Um eine Mitrotation der Säule 6 mit dem Motor 5 zu
verhindern, werden nicht dargestellte, an sich bekannte Stabilisierungsflächen an
der Säule 6 befestigt oder ein Motor mit einem Antriebsrad vorgesehen, das ein gegensinniges
Drehmoment hervorruft. Diese Anordnung ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie
ist auch nicht Gegenstand der Erfindung.
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In dem Rohr 2 befindet sich ein Gestell 9, in das eine Drehachse-14
senkrecht zur Rotationsachse 16 des Gesamtsystems angebracht ist. In dieser Achse
14 ist in dem Gestell 9 eine Scheibe 17 mit einem Befestigungspunkt 15 angeordnet,
an dem Drähte 12 und 13 befestigt und um die Scheibe 17 gegensinnig herumgelegt
sind. Am Ende des
Drahtes 12 ist der Körper 10 befestigt, am Ende
des Drahtes 13 der Körper 11. Das spezifische Gewicht der Körper lo und 11 wird
unterschiedlich gewählt. Auch die Volumina der Körper 1o und 11 können unterschiedlich
sein. Infolge der unterschiedlichen Dichte der Körper 10 und 11 gegenüber der Flüssigkeit
1 entsteht bei der Rotation, bei welcher die Körper 10 und 11 mit der rotierenden
Flüssigkeit mitrotieren, für die Lage der Körper 1o und 11 zur Rotationsachse ein-labiles
Gleichgewicht, wenn die Körper 1o und 11 eine grössere Dichte haben als die Flüssigkeit
1. Die Lage dieses labilen Gleichgewichtes ist veränderlich mit der Dichte der Flüssigkeit
1, so dass die Dichte über eine Bestimmung der Lage des labilen Drehzentrums der
rotierenden Körper 1o und 11 gemessen werden kann. Die Messung dieser Lage erfordert
wegen der Labilität des Drehzentrums für die Körper 10 und 11 eine Regelvorrichtung.
Sie ist in Abb. 2 wiedergegeben.
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Das rotierende Gestell 9 ist in Abb. 2 im Querschnitt von Abb. 1 gezeigt.
Die aufgebrachte Scheibe 17 hat die Drehachse 14, die in den Lagern 22 und 26 im
Gestell 9 federnd gelagert ist. befindet sich das System ausserhalb des labilen
Gleichgewichts, so wird eine Kraft auf die Achse ausgeübt, die über das bewegliche
Lager 18 einen der Kontakte 19 oder 20 schliesst. Über diese Kontakte 19 oder 20
wird ein Motor 24, der über das Gehäuse 25 an dem Gestell 9 fest montiert ist, über
eine Achse 23 gedreht. Die
Drehung erfolgt je nachdem, ob der Kontakt
19 oder 20-geschlossen wird, in einer solchen Drehrichtung, dasssich der Kontakt
jeweils wieder öffnet. Mit einer Drehung der Scheibe 17 durch die'Verlagerung-des'lrehzentrums
der im Medium rotierenden Körper lo und 11 erfolgt damit jeweils eine Nachsteilung
der Scheibe 17, deren Winkellage ein Maß für die Lage des Drehzentrums der Körper
10 und 11 bildet. Mit bekannten Methoden der Elektronik wird die Winkellage der
Scheibe 21 über winkelabhängige Selbstinduktivitäten, Kapazitäten oder elektrische
Widerstände festgehalten und in elektrisch messbare Grössen, z. B. in die Frequenz
einer Wechselspannung, umgewandelt.
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Die mit elektrischen Grössen festlegbare Lage der Scheibe 21 ist dann
ein Maß für die Dichte des durch das Rohr 2 strömenden Mediums.
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Eine besonders vorteilhafte Messanordnung ergibt sich, wenn das spezifische
Gewicht der Körper lo und 11, das untereinander verschieden ist, kleiner gewählt
wird, als dasjenige des zu messenden Mediums. In diesem Fall bildet sich bei der
Rotation ein stabiles Drehzentrum in der Rotationsachse des Rohres 2 aus. Denn in
diesem Fall wirken die Körper 10 und 11 formal gesehen als negative Massen, so dass
die angreifenden Zentrifugalkräfte nach dem Zentrum hin gerichtet sind. Um dieses
stabile Drehzentrum-messbar zu machen, werden die Körper 1o und 11 gemäss Abb. 3
mit einer starren Achse 27 verbunden. Diese
Achse wird praktisch
lose und reibungsfrei in einem Lager 28 des Gestells 9 geführt. Am Gestell 9 wird
dann eine Spule 29 befestigt und in dem Verbindungsrohr 27 werden Ferritkörner 30
eingebracht und über die Länge nach einem beliebig vorzugebenden Gesetz so verteilt,
dass je nach der Lage des Verbindungsrohres 27 im Gestell 9 über die Spule 29 ein
anderer Grössenwert einer elektrischen Grösse entnommen werden kann, durch den das
Drehzentrum der Körper 1o und 11, das sich bei der Rotation automatisch einstellt,
gemessen werden kann.
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Auf diese Weise gelingt es, das spezifische Gewicht des durchströmenden
Mediums über an sich bekannte elektronische Schaltungsanordnungen, von denen die
beschriebene nur ein Beispiel für viele mögliche andere ist, zu messen durch die
Jeweilige Fixierung des von der Dichte abhängigen Drehzentrums der Körper 1o und
11 durch den Wert einer elektrischen Grösse.
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Die auf diese Weise mögliche Bestimmung der Dichte von durchströmenden
Medien ist nicht auf Flüssigkeiten beschränkt. Es kann auch für Gase zur Anwendung
gebracht werden. Da die Dichtebestimmung nach der angegebenen Erfindung eine Relativmessung
der zu messenden Medien und der frei gewählten Körper 10 und 11 darstellt, ist es
möglich, die Bestimmung von Dichten dadurch besonders
präzis zu
machen, dass für die spezifischen Gewichte der Körper 10 und 11 Werte genommen werden,
die zu der des zu messenden Mediums in einem optimalen Verhältnis stehen.
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Da damit eine Bereichseinengung für die Messung von Dichten gegeben
ist, können in einem solchen rotierenden Rohr mehrere solcher "Dichtemesser" angeordnet
werden, die dann jeweils für bestimmte Bereiche auszulegen sind.